机械工程学报论文模板.doc

轮式移动机器人运动学建模方法 二号黑体 常 勇 1 2 马书根 1 3 王洪光 1 谈大龙 1 四号仿宋 1 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点试验室 沈阳 110016 五号宋体 文中数字和字母为 Times New Roman 2 中国科学院研究生院 北京 100039 3 日本立命馆大学机器人系 滋贺 525 8577 日本 摘要 小五黑体 研究轮式移动机器人运动学建模方法问题 提出用于不规则地形下的轮式移动机器人运动学建模方法 轮心建模法 Wheel center modeling WCM 在分析多刚体链式结构运动的速度特性以及不规则地形上轮式移动机构转动角速 度特性的基础上 建立车轮轮心速度的矢量表达式 即确立 WCM 以六轮摇臂转向架月球漫游车的运动学建模为例 分析 各关节转动角速度矢量在车体坐标系下的投影 并根据转动矢量方向在车体坐标系中变化与否 将矢量叉乘的投影写成不同 的形式 利用车轮轮心坐标系 轮地接触坐标系相对于车体中心坐标系的齐次变换矩阵中的相应元素 将车轮轮心的速度矢 量表达式投影到车体中心坐标系下 建立车体运动学模型 从中阐述 WCM 的方法和过程 并分析 WCM 的特点 用试验和 仿真验证该建模方法的正确性 小五宋体 摘要长度 300 500 字 关键词 小五黑体 双层辉光 人工神经网络 预测模型 小五宋体 中图分类号 小五黑体 TG156 小五 Times New Roman Research on ANN based Prediction Model Used to Double Glow Plasma Surface Alloying Processing 小三 CHANG 姓大写 Yong 1 2 XXX Xxxxxx 1 3 XXX Xxxxxx1 XXX Xxxxxx1 小四 1 State Key Laboratory of Robotics Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Sciences Shenyang 110016 2 Graduate School Chinese Academy of Sciences Beijing 100039 3 Department of Robotics Ritsumeikan University Shiga ken 525 8577 Japan 五号 Abstract 小五黑体 The kinematic modeling method for a wheeled mobile robot is studied A modeling method called wheel center modeling WCM for kinematics of a wheeled mobile robot that moves on uneven terrain is presented The vector expression of wheel center velocity is derived based on the analysis of the velocity characteristic of a multi rigid chain s locomotion and the wheel model moving mechanism s moving on uneven terrain The method of WCM is introduced as a result The projection of the angular velocity of the rotary joints in the rover centre frame is analysed and the projection of vector cross product is expressed as different forms according to whether the direction of the angular velocity relatively to rover centre frame changes or not The wheel centre velocity is projected to the rover body centre coordinate frame with the use of the elements of the homogeneous transformations from the wheel centre frame and the wheel terrain contact frame to the rover center frame Thus the kinematics of the rover is modelled The procedure of kinematic modelling using WCM is introduced and the characters of WCM is analysed The method s validity is verified by experiment and simulation 小五 Key words 小五黑体 Double glow Artificial neural network Prediction model 0 前言 四号宋体 五号宋体 离散频谱分析只能在截断的有限 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 7150080050 xxxxxxxx 收 到 初 稿 xxxxxxxx 收到修改稿 六号宋体 此处为角注 和正文分 长度时域上进行 不可避免地存在能量泄漏 导致 经过快速傅里叶变换 Fast Fourier transform FFT 得到的频谱 其频率 幅值和相位均可能产生较大 的误差 大大限制了该技术的工程应用 因此需要 开 研究离散频谱的校正技术以消除或大幅度减小这个 误差 提高分析精度 对于单频率成分或间隔较远 的多频率成分的离散频谱 目前主要有比值法 能 量重心法 FFT FT 连续细化傅里叶变换分析法和 相位差法四种校正方法 1 其中能量重心法是 2001 年丁康等 2 在三点卷积幅值校正法基础上提出来的 一种通用的离散频谱校正方法 利用离散窗谱函数 的能量重心是坐标原点的原理求出频率校正量 是 一种校正精度很高的近似方法 在实际工程应用中所测得的信号通常伴随有噪 声 噪声会影响频谱校正精度 因此从理论上系统 的分析随机噪声背景下的各种离散频谱校正方法的 精度 可为实际工程应用中提供理论依据 具有重 要的指导意义 1992 年 SCHOUKENS 等 3 4 研究 了噪声对内插法的影响 2004 年齐国清等 5 对插值 FFT 估计的频率精度进行了分析 2002 年朱利民 等 6 对一种特定时域平移相位差校正法 平移点数 等于 FFT 变换点数 的校正精度的影响进行了理论 分析和仿真计算 2007 年杨志坚等 7 8 对高斯白噪 声背景下时移相位差校正法和改变窗长相位差法校 正精度进行了理论分析和仿真计算 目前还没有学 者对噪声背景下能量重心法频率校正精度进行过系 统分析 能量重心法是一种通用的校正方法 能对 多段平均功率谱直接进行校正 特别适用于频率有 微小波动的实际工况 在实际工程中得到很广泛的 应用 9 10 因此分析噪声背景下能量重心法校正精 度有重要的意义 本文首先对高斯白噪声影背景下 加对称窗的离散频谱利用能量重心校正法进行校正 的频率校正精度进行了理论分析 推导其理论校 正误差公式 进行了仿真验证 并且对能量重心 法做了改进 使其具有更广的适用性和更高的抗噪 能力 1 试验方法和试验方案 四号宋体 1 1 试验方法 渗金属试验在自制双层辉光离子渗金属炉中进 行 源极材料为 Hastelloy C 2000 合金 尺寸为 130 mm 50 mm 4 mm 工件材料为 20 钢 尺寸 为 80 mm 25 mm 3 mm 采用脉冲放电模式 源极采用直流电源 工件采用脉冲电源 源极材料 Hastelloy C 2000 的质量分数 w Ni 59 w Mo 1 6 w Cr 23 w Cu 1 6 w C 0 01 1 2 试验方案 五号黑体 为了选定正交试验各个工艺参数的取值范围 先结合以往试验研究的经验 然后又进行了 20 余 炉的摸索性试验 确定了正交工艺参数 正交试验 按照 L16 45 正交表进行试验 指标项目为渗层表 面合金元素成分及总质量分数 渗层厚度和吸收率 因素水平表如表 1 所示 表 1 因素水平表 小五黑体 水平 因素 六号宋体 1 2 3 4 源极电压 U V 1 050 1 000 950 900 工件电压 U V 275 250 350 300 气压 p Pa 35 30 45 40 极间距 d mm 15 20 25 22 5 1 3 频率校正误差理论分析 没有噪声影响下的能量重心校正法的归一化频 率校正公式 2 1 1 nkiikiinGf n 式中 无噪声功率谱中最大值谱线 第 条功率谱线kiG i 在白噪声背景下的归一化频率校正公式 2 1 rkrrnrkiiiinPf n 式中 白噪声背景下功率谱中最大值谱线r 第 条功率谱线kiP rki 2 数学模型 在网络学习部分 采用三层 BP 神经网络来完 成函数的映射 误差逆传播神经网络是一种具有三 层或三层以上的阶层型神经网络 图 1 为一个三层 前馈神经网络 它包括输入层 隐含层 中间层 输出层 输入层有 i 个节点 隐含层有 j 个节点 输出层有 t 个节点 上 下层之间各神经元实现全 连接 即下层的每一单元与上层的每一单元都实现 权连接 而每层各神经元之间无连接 网络按有教 师示教的方式进行学习 当一对学习模式提供给网 络后 神经元激活值从输入层经各中间层向输出层 传播 在输出层的各神经元获得网络的输入响应 这以后 按减小希望输出与实际输出之间误差的方 向 从输出层经各中间层逐层修正各连接权值 最 后回到输入层 算法步骤如下所述 1 设置初始权系 w 0 为较小的随机非零值 2 给定输入 输出样本对 计算网络的输出 设第 p 组样本输入 输出分别为 up u1p u2p unp dp d1p d2p dnp p 1 2 L 节点 i 在第 p 组样本输入时 输出为 3 jjpiii twftxfy 式中 I jP 为 在第 p 组样本输入时 节点 i 的第 j 个 输入 图 1 阻尼器屈服力矩 电流特性 图中文字为六号 f 是激励函数 采用 Sigmoid 型 即 4 exp 1 f 可由输入层经隐层至输出层 求得网络输出层节点 的输入 3 计算网络的目标函数 J 设 Ep 为在第 p 组样本输入时网络的目标函数 取 L2 范数 则 1 21 21 3 tetydtydtEkpkkppp 5 式中 y kp t 为 在第 p 组样本输入时 经 t 次权值调 整网络的输出 k 是输出层第 k 个节点 网络的总目标函数为 6 tEtJpP 作为对网络学习状况的评价 判别 若 J 则算法结束 否则 至步骤 4 4 反向传播计算 由输出层 依据 J 按 梯 度下降法 反向计算 逐层调整权值 图 3 5 1 twtJ twt ijijijij 8 tE ijijpij 式中 为 步长或称为学习率 n 取 1 000 000 取 0 9 图 2 路径规划三维图 小五宋体 图 3 轮齿本体温度分布 图 4 微压印法制备的微复制模板及仿生鲨鱼皮 图 5 微生物细胞金属化约束成形工艺流程 3 计算结果与比较 为检验程序的可靠性与实用性 同时又具有一 定的推广能力 在正交试验 16 组数据中选择 13 组 作为训练样本 余下的 3 组以及正交优化工艺作为 检测样本 经过 1 000 000 次训练的试验数据与计 算结果的比较见表 2 表 3 表 2 预测渗层表面的成分 质量分数 w 编号 Ni Cr Mo Cu 5 49 881 14 695 11 365 1 605 预测值 51 734 16 962 11 211 1 661 12 50 514 16 691 14 071 0 912 预测值 51 171 17 509 13 048 0 415 16 50 290 19 164 6 480 1 308 预测值 50 826 18 104 7 8130 1 333 17 57 168 19 655 14 732 1 353 预测值 59 891 20 107 12 163 1 403 对双层辉光离子多元共渗工艺参数 源极电压 工件电压 极间距 气压对渗层表面的合金元素总 质量分数 渗层厚度 各合金元素质量分数 吸收 率 工件增重 源网络训练准确可靠 正交试验按照 L16 45 正交表进行试验 指标项目为渗层表面合 金元素成分及总质量分数 渗层厚度和吸收率 从 表 2 表 3 可以看出训练样本和检测样本的网络实 际输出值与期望值都很接近 说明应用神经网络描 述双层辉光离子渗金属工艺参数与渗层的表面合金 成分和合金总质量分数 渗层厚度 吸收率之间的 映射模型是十分有效的 表 3 人工神经网络训练与预测值 吸收率 s 渗层厚度 m 元素总质量分数 w 试验编号 源极电压 U V 工件电压 U V 极间距 d mm 气压 p Pa 试验值 预测值 试验值 预测值 试验值 预测值 1 1 1 1 1 70 900 70 587 34 5 34 579 87 496 87 437 2 1 2 2 2 61 200 60 871 36 5 36 380 89 796 89 237 3 1 3 3 3 33 330 32 847 19 0 19 245 84 895 84 508 4 1 4 4 4 44 650 44 401 21 0 20 871 77 579 77 321 5 2 1 2 3 48 100 47 753 25 5 24 950 77 546 76 796 17 1 2 1 1 79 340 80 920 38 0 38 459 92 908 92 210 注 为检测样本值 试验编号 17 为正交优化工艺 六号宋体 4 结论 1 2 3 4 参 考 文 献 五号黑体 以下参考文献为作者参考格式用 和文中引用的 文献不符 1 IMLACH J BLAIR B J ALLAIRE P Measured and predicted force and stiffness characteristic of industrial magnetic bearings J Trans ASME J Tribol 1991 113 784 788 参考文献为期刊的格式 2 朱祖超 超低比转速高速离心泵的理论研究及工程实现 J 机械工程学报 2000 36 4 30 33 括号里是期 不是卷 有些期刊有期和卷 有些只有一种 就只写 一种 ZHU Zuchao Theoretical study and engineering implementation of super low specific speed highspeed centrifugal pumps J Chinese Journal of Mechanical Engineering 2000 36 4 30 33 非英文的参考文献采用非英文 英文双语形式 3 DOWIET P Estimation of disassembly times R Manchester Manchester Metropolitan University 1994 参考文献为报告的格式 4 TULLY E J HEYWOOD J B Lean burn charracteristics of a gasoline engine enriched with hydrogen fraction from a plasmatron fuel reformer R SAE 2003 01 0630 2003 5 DAVID C MEEKER E H MYOUNGYU D N Anaugment anaugmented currents model for magnetic bearings force and linearized parameters of radial active magnetic including eddy currents fringing and leakage J IEEE Trans on Magn 1996 32 4 3 219 3 227 6 CHAAN T H CHEN S L Exact linearization of a voltage controlled 3 pole active magnetic bearing system J IEEE Trans Contr Syst Technol 2002 10 4 618 625 7 Online Computer Aid library Center Inc History of OCLC EB OL 2000 01 08 http www oclc htm 参考文献为在线电子文献的格式 8 FOURNEYEYN M E Advancing into tholographical photoelasticity C American Society of Mechanical Engineers Applied Mechanics Division Symposium on Applications of Holography in Mechanics August 23 25 1971 University of Southern California Los Angeles California New York ASME 1971 17 38 参考文献为会议文献的格式 9 BAUER M D SIDDIQUE Z ROSEN D W Virtual prototyping in simultaneous product process design for Disassembly M London Chapman Hall 1997 参 考文献为图书的格式 10 严长征 盾构隧道近距离共同作用机理及施工技术研 究 D 上海 同济大学 2007 参考文献为学位论 文的格式 YAN Changzheng Research on the mechanism and construction techniques of interaction for adjacent tunneling preformed by shield D Shanghai Tongji University 2007 11 李华 姚进 高效液力变矩传动系统 中国 ZL200810044340 9 P 2008 10 01 参考文献为专利 的格式 LI Hua YAO Jin High efficiency hydraulic torque converting transmission system China ZL200810044340 9 P 2008 10 01 作者简介 六号黑体 XXX 通信作者 男 1973 年出生 博士研 究生 主要研究方向为表面改性方面的研究 六号 E mail cjaaa XXX 男 1960 年出生 博士 教授 博士研究生导师 主要研究方 向为表面改性方面的研究 E mail bbbbb 。