信息与控制杂志

信息与控制杂志2021年第2期

• 多自主水下机器人系统研究进展与分析

  喻俊志, 周子烨, 刘金存

  多自主水下机器人系统（MAUV）越来越多地被应用于海洋勘探与资源开发，受到研究者们的普遍关注.本文探讨了常见的多自主水下机器人系统所执行的任务及所用方法，并从新功能涌现的角度对多自主水下机器人系统的协作这一关键问题进行了全面回顾与分析.首先，将合作按照任务空间、运动空间和量测空间及其组合进行分类；其次，从三个视角介绍了不同类别的水下多机器人系统及其技术方法；最后，展望了多自主水下机器人系统未来的研究思路.该综述有望为复杂的海洋应用场景中水下多机器人系统高效协同完成水下任务提供策略和途径.

• 柔性机械臂的振动测量和控制研究进展综述

  邱志成

  柔性机械臂通常具有柔性关节和/或连杆.在过去的40多年里，柔性机械臂的研究取得了长足的进展.本文综述了柔性机械臂在动力学建模方法、振动的传感器测量系统和控制算法研究方面的发展现状、研究热点和前沿进展.首先，简要说明了柔性机械臂的优缺点和复杂性，介绍了柔性关节机器人和柔性连杆机械臂的建模方法和技术；其次，综述了不同振动测量系统在柔性机器人中的应用和特点，并比较了不同测量方法在柔性机械臂振动测量应用中的优缺点；然后，重点评述了文献中提出的柔性机械臂振动控制方法和控制算法；并分析了并联柔性机器人自激振动及其控制的研究现状；最后，对未来研究工作的发展趋势，面临的问题和挑战进行了展望.

• 动态多目标进化优化研究进展

  郭一楠, 汤万宝, 陈国玉, 巩敦卫

  动态多目标优化问题在实际生产与生活中广泛存在且问题特性随时间或环境的变化复杂多样.为有效解决该类问题，研究人员先后提出用于跟踪最优解的动态多目标进化优化方法和获得鲁棒Pareto最优解集的鲁棒动态多目标进化优化方法.前者检测到多目标优化问题特性动态改变时，重新触发寻优过程，从而快速、准确地收敛到新环境下优化问题的真实Pareto前沿.因此，环境变化检测机制和环境响应策略是核心.本文从环境变化检测方法和多样性保持、记忆策略、预测机制、迁移学习等环境响应策略入手，对已有研究进行分类归纳和总结.为有效降低解的切换代价，在有限时间内为用户提供可行且满意的较优解，已有的鲁棒动态多目标进化方法通过构建新型鲁棒多目标优化模型，寻找鲁棒Pareto最优解，不仅在当前环境下具有最优的收敛性能，还能以一定的满意程度，逼近未来多个相邻动态环境下优化问题的真实Pareto前沿.为合理评价上述方法的性能，本文列出常用的性能评价指标.最后，基于对已有方法局限性的分析，探讨了动态多目标进化优化存在的难点和挑战.

• 一种面向危险环境远程操作的仿人随动机器人

  郭文昕, 秦伟伟, 李铭昊, 赵楚晨, 李平, 廉正

  为代替专业人员在高危环境中工作，开展了一种面向危险环境远程操作的仿人随动机器人研究.首先，基于人体上肢生物学特性，设计了从端仿人随动机器人并利用蒙特卡洛法对其理论运动空间进行分析.其次，依据人体上肢运动学特点，构建了基于微惯性传感器和柔性弯曲度传感器的穿戴式人体数据采集系统，完成了对人体运动信息的采集.进而，利用分段线性插值法完成主从端的姿态—运动映射优化，并基于时敏特性和角度延迟特性进行了系统性能分析.最终，在构建原理样机的基础上开展了机构跟随实验和物体抓取实验.结果表明，该样机可以较好地满足仿人随动的控制精度和鲁棒性等要求，在特定工作扇面拥有和人类大致相同的工作空间，能够较好地代替人完成部分危险品操作任务.

• 基于模糊补偿的液压机械臂轨迹跟踪控制

  沙毅刚, 王强, 何晓晖, 朱晓基, 杨菲, 杜毛强

  针对具有摩擦和负载等不确定性的液压机械臂轨迹跟踪控制问题，建立机械臂机械系统、液压系统的数学模型，基于李亚普洛夫函数，提出一种模糊补偿策略进行控制，构造模糊系统逼近摩擦力和负载，应用流量补偿器消除负载压力变化对伺服阀性能的影响，应用重力补偿器消除负载质量变化时对系统性能的影响.仿真结果表明，设计的控制器可以使机械臂关节较好追踪期望轨迹，优于传统模糊控制和PD（proportional-differential）控制，最后模拟了3种负载工况，分析了控制器的补偿极限，为后续研究奠定了基础.

• 基于生成对抗网络的遥感图像超分辨率重建

  贺温磊, 王朝立, 孙占全

  近年来有不少基于深度学习的单幅遥感图像超分辨率重建方法，虽然在超分辨率的各项指标上都有所提升，但通过人眼观察的超分辨率效果却仍不明显.此前方法在制作低分辨率图像过程中采用的降采样会带来部分信息损失，为了避免此类问题，本文以在数据集部分通过用不同比例尺得到清晰和模糊两种分辨率的遥感图像作为训练数据集对，有效避免了由于降采样带来的原图信息损失.在主网络部分运用了一种基于深度残差块的generative adversarial network（GAN）图像超分辨率模型，生成网络部分生成超分辨率图像，对抗网络部分对生成网络生成图像的逼真程度进行判断并反馈到生成网络中.在损失函数部分，为了减少由于特征匹配错误产生的不良影响，本文在上下文损失函数（contextual loss function）的基础上添加了图像特征之间的空间位置信息，并采用相对判别器来判断图片相对真实性，优化了超分辨率效果.通过在NWPU-RESISC45数据集上进行实验验证，本文提出的方法在峰值信噪比（peak signal to noise ratio，PSNR）、结构相似性（structural similarity，SSIM）和平均梯度（average gradient，AG）三项指标上有了较明显的提升，并可通过人眼观测到网络输出良好的超分辨率效果图.

• 基于物体路标的仿人机器人实时里程计

  周浩然, 刘成菊, 安康, 陈启军

  仿人机器人运动方式特殊，目前还没有成熟的里程计方案.针对仿人机器人，提出了一种基于物体路标的低成本实时里程计.算法以环境中的物体作为路标，由4个模块组成.视觉测量中对单目相机图像进行分割及形态学处理以识别路标，并结合先验信息估计机器人位姿；运动学里程计中根据关节角度数据通过正运动学计算机器人姿态得到里程计增量；滤波修正中通过无迹卡尔曼滤波用多组路标的视觉测量信息对运动学里程计进行修正；模型修正中以里程计滤波修正前后数据作为训练样本，视觉无效时使用广义回归神经网络对运动学里程计进行修正.本文在NAO型仿人机器人上对算法进行了仿真和实体实验验证.结果表明，算法的平均位置误差不超过3 cm，姿态角误差约为2°，程序平均耗时为7.94 ms，算法具有较高的精度和良好的实时性.

• 密集环境下物体吸取可供性检测及其自监督学习方法

  韩鸣朔, 刘文海, 王伟明

  在仓储物流中，散乱件分拣是影响整体效率的关键环节之一，机械臂抓取操作因灵活高效而广泛应用于此.为提高分拣成功率和标签获取效率，提出了一种两阶段物体吸取可供性检测网络及其自监督学习方法.区域预测网络RE-Net（region estimation network）融合深度与彩色（RGB）特征，能够进行与物体种类以及几何形状无关的兴趣区域检测.在选取的兴趣区域中，吸取点可供性检测网络SGPA-Net（suction-grasp-point affordance network）同样使用深度与彩色特征，对抓取点进行判断.使用所提的自监督方法自动采集数据并生成标签，两阶段物体吸取可供性检测方法在较短的时间内达到较高的吸取准确率.最后的实验结果验证了两阶段检测方法及其自监督学习方法的有效性.

• 具有执行器故障的随机鲁棒预测容错切换控制

  王捷夫, 施惠元, 苏成利

  针对一类具有不确定性、未知扰动、执行器随机故障的工业过程，提出了一种随机鲁棒预测容错切换控制（SRPFTSC）方法.其主要贡献是融合了随机控制理论与鲁棒预测控制方法，解决了实际工业过程中执行器存在一定概率故障的问题，改进了传统的容错控制（FTC）方法.首先，建立含有系统状态增量和输出跟踪误差的新型多自由度状态空间扩展模型，以描述一类具有一定不确定性、未知扰动、执行器随机故障的工业过程；其次，基于该扩展模型设计含有故障随机特性的反馈控制律，实现了故障情况下的FTC控制和无故障情况下的正常控制.进一步给出了具有线性矩阵不等式（LMI）形式的相关定理和推论.同时利用指数稳定证明给出容错控制器切换的稳定条件，使系统在H∞意义下满足渐近稳定的要求.最后，以注塑成型保压过程为例，验证了该方法的有效性和可行性.

• 一种基于改进的快速扩展随机树的工业机器人路径避障规划算法

  刘亚秋, 赵汉琛, 刘勋, 徐妍

  针对传统快速扩展随机树（RRT）算法在机械臂的运动规划上缺乏导向性，收敛速度慢等问题，文中在传统RRT的基础上，提出了一种扩展点选择策略和自适应步长策略，并且在算法陷入局部极小值时，采用避免回归机制，快速脱离极小值.然后结合Dijkstra算法对改进算法产生的路径进行优化，得到一条优化后的路径.最后，得到的机械臂末端有效路径再通过本文的机械臂规划模块，转化为一条机械臂最优位姿路径.将该改进算法与其他算法在Matlab和ROS中进行仿真实验，实验结果表明，该算法能有效指导RRT树的生长方向，避免陷入极小值，并且提高算法的收敛速度，并且提高了机械臂在仿真中运动规划效率.

• 非完整多智能体系统事件触发二分一致性

  孙倩倩, 陈霞

  本文研究了非完整多智能体系统的事件触发控制，同时考虑了智能体之间的合作与竞争关系.针对无向连通结构平衡拓扑下的多智能体系统，依次设计出集中式和分布式的事件触发控制，实现了智能体全状态的二分一致性，即各智能体的状态分别趋于大小相同但符号相反的一致状态.其中，所设计的分布式动态事件触发条件无需依赖邻居间持续通信，能够节约大量通信资源.基于李亚普诺夫稳定性理论和代数图论知识，严格证明了系统的二分一致性并且排除了芝诺现象.最后，通过仿真验证了理论结果的正确性.