兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (10): 3674-3685.doi: 10.12382/bgxb.2023.0713
党婉莹1,2, 周乐来1,2,*(), 李贻斌1,2, 张辰1,2
收稿日期:
2023-08-01
上线日期:
2023-09-25
通讯作者:
基金资助:
DANG Wanying1,2, ZHOU Lelai1,2,*(), LI Yibin1,2, ZHANG Chen1,2
Received:
2023-08-01
Online:
2023-09-25
摘要:
轮式模块化机器人在满足人类对于无人自主任务需求时具有很多优势,机器人组合体构型在搬运物资、山地越障等方面更具有独特优势,为此提出一种多模块机器人构型优化规划方法。构建数字化地形表达,建立参数化地形辨识模型,运用遗传算法构建能耗与时间加权组合的最优构型,改变约束条件在不同地形下进行大量平行运行得到大量地形-最优构型参数结果对,将地形集合构建为输入集,将最优构型集合构建为输出集,训练借助神经网络技术快速得到面向任意地形的最佳组合体构型,使得组合体在面对三维复杂地形时实现高成功率、高可靠性越障运动,同时将能耗成本和时间成本降至最低。通过物理引擎平台仿真搭建仿真野外地形,对规划得到的构型进行通过性验证和性能测试,各构型均能完成地形跨越,同时验证规划算法的优化能力;搭建模块化机器人样机实物进行实验,以6×1刚性连接构型完成了2倍轴距宽沟壑的跨越。研究结果表明,所提方法能够高效地规划各类地形下满足通过性要求和时间能耗最优的组合体越障构型。
中图分类号:
党婉莹, 周乐来, 李贻斌, 张辰. 模块化机器人最优越野构型神经网络规划方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(10): 3674-3685.
DANG Wanying, ZHOU Lelai, LI Yibin, ZHANG Chen. Neural Network Planning Method for Optimal Off-road Configuration of Modular Robots[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(10): 3674-3685.
参数 | 数值 |
---|---|
沟壑宽度/m | 3 |
横向最大坡度/(°) | 5 |
最大可通行宽度/m | 1 |
纵向最大上升坡度/(°) | 15 |
表1 输入集参数
Table 1 Input set parameters
参数 | 数值 |
---|---|
沟壑宽度/m | 3 |
横向最大坡度/(°) | 5 |
最大可通行宽度/m | 1 |
纵向最大上升坡度/(°) | 15 |
输出集 | 表达式 |
---|---|
1 | |
2 | |
3 | 1,2 |
表2 输出集参数表
Table 2 Output set parameters
输出集 | 表达式 |
---|---|
1 | |
2 | |
3 | 1,2 |
参数 | 参数 |
---|---|
车身尺寸(长×宽×高)/m | 0.7×0.3×0.6 |
对接机构总长度/m | 0.1 |
车体质量/kg | 30 |
离地间隙/m | 0.55 |
接近角/(°) | 75 |
离去角/(°) | 60 |
运动速度/(m·s-1) | 0.5 |
表3 机器人模块参数
Table 3 Parameters of robot module trolley
参数 | 参数 |
---|---|
车身尺寸(长×宽×高)/m | 0.7×0.3×0.6 |
对接机构总长度/m | 0.1 |
车体质量/kg | 30 |
离地间隙/m | 0.55 |
接近角/(°) | 75 |
离去角/(°) | 60 |
运动速度/(m·s-1) | 0.5 |
构型 | 通过性 | 能耗/J | 时间/s |
---|---|---|---|
1×6刚性 | × | × | × |
1×6柔性 | × | × | × |
2×3刚性 | √ | 4837.5 | 43 |
2×3柔性 | √ | 4837.5 | 43 |
3×2刚性 | √ | 5017.5 | 44.6 |
3×2柔性 | √ | 5017.5 | 44.6 |
4×3刚性 | √ | 5197.5 | 46.2 |
4×3柔性 | √ | 5197.5 | 46.2 |
5×2刚性 | √ | 5377.5 | 47.8 |
5×2柔性 | √ | 5377.5 | 47.8 |
6×1刚性 | × | × | × |
6×1刚性 | × | × | × |
表4 优化性对比仿真结果
Table 4 Optimization versus simulated results
构型 | 通过性 | 能耗/J | 时间/s |
---|---|---|---|
1×6刚性 | × | × | × |
1×6柔性 | × | × | × |
2×3刚性 | √ | 4837.5 | 43 |
2×3柔性 | √ | 4837.5 | 43 |
3×2刚性 | √ | 5017.5 | 44.6 |
3×2柔性 | √ | 5017.5 | 44.6 |
4×3刚性 | √ | 5197.5 | 46.2 |
4×3柔性 | √ | 5197.5 | 46.2 |
5×2刚性 | √ | 5377.5 | 47.8 |
5×2柔性 | √ | 5377.5 | 47.8 |
6×1刚性 | × | × | × |
6×1刚性 | × | × | × |
参数 | 数值 |
---|---|
车身尺寸(长×宽×高)/m | 0.22×0.26×0.2 |
对接机构总长度/m | 0.07 |
车体质量/kg | 2.9 |
离地间隙/m | 0.05 |
接近角/(°) | 69 |
离去角/(°) | 78 |
运动速度/(m·s-1) | 1.0 |
表5 麦轮平台参数
Table 5 Mecanum wheel platform parameters
参数 | 数值 |
---|---|
车身尺寸(长×宽×高)/m | 0.22×0.26×0.2 |
对接机构总长度/m | 0.07 |
车体质量/kg | 2.9 |
离地间隙/m | 0.05 |
接近角/(°) | 69 |
离去角/(°) | 78 |
运动速度/(m·s-1) | 1.0 |
序号 | 遗传算法 | 神经网络 |
---|---|---|
1 | 2.77 | 1.41 |
2 | 3.402 | 1.58 |
3 | 2.46 | 1.09 |
表6 遗传算法运算与神经网络运算时间
Table 6 Neural network operation times
序号 | 遗传算法 | 神经网络 |
---|---|---|
1 | 2.77 | 1.41 |
2 | 3.402 | 1.58 |
3 | 2.46 | 1.09 |
[1] |
沙莎, 王辉平. 轮式移动机器人滑移轨迹跟踪控制策略研究[J]. 机床与液压, 2023, 51(9): 62-69.
|
|
|
[2] |
刘松, 柴汇, 李贻斌, 等. 电动力液压驱动四足双臂机器人的设计与实现[J]. 机器人, 2022, 44(6): 649-659.
|
|
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
夏平, 朱新坚, 费燕琼. 一种新型自重构模块机器人的设计和运动策略[J]. 中国机械工程, 2006(15): 1549-1552.
|
|
|
[8] |
费燕琼, 夏振兴, 夏平. 自重构机器人的基本模块结构设计与分析[J]. 中国机械工程, 2007(9): 1085-1088.
|
|
|
[9] |
杨振, 付庄, 管恩广, 等. M-Lattice模块机器人的运动学分析及构型优化[J]. 上海交通大学学报, 2017, 51(10): 1153-1159.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2017.10.001 |
|
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
高九州, 徐威峰, 张立辉, 等. 基于改进A*算法的无人机避障航线规划[J]. 现代电子技术, 2023, 46(8): 181-186.
|
|
|
[14] |
陈春良, 齐鸥, 魏兆磊, 等. 基于蒙特卡洛仿真和遗传算法的车辆装备保障运输网络优化[J]. 兵工学报, 2016, 37(1): 114-121.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.018 |
|
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
pmid: 18267783 |
[20] |
|
[21] |
|
[22] |
|
[1] | 夏焕雄, 李康, 高丰, 刘检华, 敖晓辉. 基于凝固前沿演变特征的熔铸装药成型工艺参数智能优化[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 2936-2950. |
[2] | 苏胜, 顾森, 宋志强, 刘萍. 基于深度表征学习和遗传算法的军用座舱色彩设计方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(4): 1060-1069. |
[3] | 马维宁, 胡起伟, 陈静, 贾希胜. 装备群选择性维修决策与任务分配联合优化[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 407-416. |
[4] | 秦国华, 娄维达, 林锋, 徐勇. 基于Cotes求积法和神经网络的稳定域判断及铣削参数优化新方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 516-526. |
[5] | 刘子昌, 李思雨, 裴模超, 刘洁, 孟硕, 吴巍屹. 基于纹理分析的柴油发动机故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 684-694. |
[6] | 田恒旭, 林圣业, 李浩, 巫英豪, 王茂森, 戴劲松. 基于Kriging模型的某高射速自动机内抽壳滑板疲劳优化[J]. 兵工学报, 2024, 45(10): 3585-3595. |
[7] | 叶闻语, 王春阳, 于金阳, 拓明侃, 王子硕. 基于贪心遗传算法的液晶光学相控阵多光束扫描[J]. 兵工学报, 2023, 44(9): 2650-2660. |
[8] | 陈松, 朱东升, 左钦文, 韩朝帅. 基于GA-PS的三维空间源项反演算法[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2503-2520. |
[9] | 刘冰, 郝新红, 周文, 杨瑾. 基于BAS-BPNN的调频无线电引信目标与扫频干扰识别方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2391-2403. |
[10] | 张安, 徐双飞, 毕文豪, 徐晗. 空地多目标攻击武器-目标分配与制导序列优化[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2233-2244. |
[11] | 刘彦, 王百川, 闫俊伯, 闫子辰, 时振清, 黄风雷. 侵彻作用下负泊松比蜂窝夹芯结构动态响应[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 1938-1953. |
[12] | 杜伟伟, 陈小伟. 陆军战术级作战任务分配及优化方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(5): 1431-1442. |
[13] | 陶俊峰, 刘海鸥, 关海杰, 陈慧岩, 臧政. 基于可通行度估计的无人履带车辆路径规划[J]. 兵工学报, 2023, 44(11): 3320-3332. |
[14] | 马也, 范文慧, 常天庆. 基于智能算法的无人集群防御作战方案优化方法[J]. 兵工学报, 2022, 43(6): 1415-1425. |
[15] | 张韬, 项祺, 郑婉文, 孙宇祥, 周献中. 基于改进A*算法的路径规划在海战兵棋推演中的应用[J]. 兵工学报, 2022, 43(4): 960-968. |
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