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2021年度陕西省自然科学奖提名公示(科技进步奖)
一、项目名称复杂环境下轮式移动操作机器人关键技术及应用
二、提名者及提名意见提名者汉中市人民政府提名意见该项目围绕复杂环境下轮式移动操作机器人存在的关键技术难题,分别研究了复杂环境下移动操作机器人的环境感知与定位技术、轮式移动机器人动力学轨迹跟踪控制技术、与移动机器人深度融合的多自由度机械臂轨迹规划技术等,并取得了创新性研究成果,累计授权国家发明专利项,实用新型专利项,外观设计专1512利项,项目成果于年获陕西省高等学校科学技术二等奖52020该项目成果是陕西理工大学联合西安优艾智和机器人科技有限公司等多家单位进行的校企之间合作产生的成果,在移动机器人技术攻关、产品设计、学术研究和人才培养等方面均取得了较好的成绩,并得到了国家、省厅项目的支持部分成果已经转化应用并取得了一定的经济效益和社会效益,产品获国家机器人行业多种奖项(年度恰佩克技术创新奖、(国际消费类电子产品展览会)全球焦2017CES2018点、第四届中国“互联网”大学生创新创业大赛全国银奖、年“创青春”浙502018大双创杯全国大学生创业大赛全国银奖,年度德国红点设计大奖)依托该技2021术成果,合作企业在汉中铺镇工业园区成立了诺伯特智能装备(汉中)有限公司,为地方经济发展做出了一定的贡献同意该项目申报年度陕西省科学技术奖,提名等级为陕西省科技进步三等2021奖
三、项目简介任务来源于陕西省工业攻关项目,国家自然基金项目,校企合作项目,属于信息学科领域主要研究内容针对复杂环境下轮式移动操作机器人存在的技术难题,着重研究了复杂环境下移动操作机器人的环境感知与定位技术;轮式移动机器人动力学轨迹跟踪控制技术;与移动机器人深度融合的多自由度机械臂轨迹规划技术()在环境感知与定位方面,进行了基于视觉的技术研究,针对视觉前1SLAM端中特征分布不均匀的问题,提出用改进四叉树管理粗提取的特征点,同时提出用自适应阈值作为提取特征点的灰度差阈值,以满足不同图像环境需求,所提取的特征点相对于传统特征点均匀度得到大幅提高,另外通过轨迹估计实验发现,改ORB进特征点在轨迹精度上在不同数据集中也有不同程度的提升,验证了特征均匀化对于精度的提升效果;针对传统词袋模型对于回环检测效果不佳的问题,提出用SLAM自编码器和预训练模型来对图像进行向量化表达,发现基于卷积神经网络的图像表示对于图像间的差异性表达更加明显,另外本研究提出的自编码器对于回环检测的效果对于传统自编码器有较好的效果,同时,采用预训练神经网络的回环检测在保持较高的准确率时仍有较为理想的召回率在移动机器人建模与控制方面,针对移动机器人容易受到外界干扰扰动影2响的情况,建立了移动机器人扰动模型,然后利用“反演-滑模”控制方法设计了具有干扰观测能力的抗干扰控制器,同时利用方法对控制系统PD-RBFNN Lyapunov进行了收敛性、稳定性证明,并设计了控制参数自适应律,实现系统的自适应控制通过多种控制方法对比,实验结果表明所设计的控制器不仅具有良好的稳定性,还能有效地克服外界干扰扰动的影响针对移动操作机器人机械臂的运动规划问题,分析了冗余机械臂的运动学模3型,提出了基于变参递归神经网络的冗余机械臂运动规划方法,实现了机械臂的高精度,高鲁棒性控制同时,为解决机械臂速度突变较大与机械臂角度限制等问题,进一步提出了基于变参递归神经网络的双准则运动规划方案设计并实现了的运动控制器硬件平台,形成三种面向特种行4ARM+FPGA业应用的移动操作机器人并面向市场销售,其中移动消杀机器人在湖北第三人民医院等多家单位应用,在年的“抗疫战役”中做出了一定的贡献,取得了较好的2020社会效益和经济效益U!、客观评价科技查新1项目在教育部科技查新工作站进行了国内科技查新,查新点如下L15在环境感知方面,针对现有的图像识别精度、速度较低的问题,在卷13D积的基础上,本项目设计的神经网络结构中采用设计思路,并利用深度可分DensNet离方法将卷积核的数量改为同数一样,并采用全局均值池化进一步减少参channels数量在技术应用中,针对回环检测中召回率较低的问题,神经网络使用2slam作为主网络,以为指导网络,两者均方差作为损失函数,MobileNetVLAD NetVLAD对网络进行训练并用该网络对图像进行压缩表示,强化图像差异性描述,保证准确率的同时提高回环检测召回率,针对移动机械臂的控制问题,提出了基于变参递归神经网络的冗余机械臂运3动规划方法,进一步提出了基于变参递归神经网络的双准则运动规划方案,提高移动机械臂的控制精度和运动的平稳性查新结论在公开发表的中文文献中,未见与查新点相同报道成果鉴定结论2年月日,汉中市科学技术局委托相关专家组成评价委员会,对陕西理工大学20171220完成的“基于图像技术的工业机器人高速伺服控制系统开发与应用”项目进行了科技成果评价评价委员会听取了课题组的研究报告,观看了成果演示,审阅了相关技术资料经质疑、评议、讨论后,形成了以下结论通过采用并行工作方式的构建了机器人的控制系统,实现了机器1ARM+FPGA+DSP,人多目视觉定位和多轴矢量并行控制与优化提高了控制系统的集成度为工业机器人高速、高精度检测和控制提供了研究平台提出了一种“多余点剔除策略和基于神经网络”的路径规划技术,提高了机器人的2运动平稳性针对机器人末端误差,建立了系统整体误差模型,提出了“基于扰动的反演滑模自3适应”的运动控制方法,提高了机器人的控制精度实现了工业机器人高速、高精度控制综上所述,课题研究成果具有一定的理论创新和较高的工程实用价值,整体技术达到国内领先水平产品获奖3近年来多次获得机器人领域大奖年度恰佩克技术创新奖、国际消费类电子2017CES产品展览会全球焦点、第四届中国“互联网”大学生创新创业大赛全国银奖、2018502018年“创青春”浙大双创杯全国大学生创业大赛全国银奖,年度德国红点设计大奖2021
五、应用情况项目研究与产业的细分领域结合,主要形成以下应用形式并依托公司进行推广应用智能维保车辆巡检机器人检测、除尘等面向车辆智能维保场景的车辆巡检机器人,1从年月初研发启动,月初第一代样机便问世,主要应用于公交车辆数字信息化与无2017812人化维保主厂房辅机设备巡检机器人基于各类电厂火电、垃圾电站、生物质电站、水电等主2厂房各类辅机设备运行及巡检要求,适用设备运行状态的实时监控与故障预警,实现全程可视化、操作无人化、巡检智能化海关检验检疫机器人检验检疫机器人职责是负责易燃易爆有毒有害等危险化学品的3通关检验检疫这款机器人通过实时远程控制与探测系统,减少了检疫人员与危化品的直接接触其搭载的多种检验检疫专用传感器,使用气体成分分析、红外热源探测、高清视频检测等手段,扩大了检验范围除进行常规标识检测外,还能够发现包装破损、化学品泄露、自燃、内部异常等隐患,并自动通知相关人员撤离及启动应急预案本项目应用成果主要依托西安优艾智和机器人有限公司和诺伯特智能装备(汉中)有限公司进行推广应用,打造了全球第一台商用车辆巡检机器人全球第一台检验检疫机器ARIS-V.人、全球第一台面向新能源车辆的除尘机器人面向特种制造需求的移动抓ARIS-C ARIS-DR,取与分拣机器人集成系统等,服务于米其林集团等十余家企业、政府机构与科研院所,取得了较好的经济效益,促进了地方人员就业,取得了一定的社会效益
六、主要知识产权和标准规范等目录证书编号(标国家知识产权授权号(标准发明人(标准序号知识产权具体名称授权(标准准批准发布权利人(标准类别(地区)编号)起草人)发布)日期部门)起草单位)一种考虑阻力的移动机ZL
2017112020.
03.陕西理工大张鹏超、李文1发明专利器人反演滑模控制方法中国
3733692352964.231学科用于手机镜头装配过程ZL
2017102019.
12.3648陕西理工大2发明专利中的手机镜头自动上下中国张鹏超
348353.431903学料装置考虑滤波电容ESR的Boost变换器输出纹波电
2020..
4.中国电机工陕西理工大皇金锋、张鹏3论文中国2020压畸变机理及精确建模10程学报学超含有右半平面零点的开皇金锋、李林
2020.
05.电工技术学陕西理工大4论文关DC-DC变换器暂态性中国2020鸿、谢锋、张25报学能分析及频域法设计鹏超、刘树林Path planningformobile robotbasedon Internationalmodified rapidlyJournal of陕西理工大5论文美国20182018张鹏超,熊超exploring randomtree Advanced学method andneural RoboticnetworkSystems基于FPGA的高帧频图
2020.
01.计算机测量陕西理工大6论文中国2019马帅旗像跟踪系统设计15与控制学Journal ofNovelGlobal HarmonyApplied陕西理工大Search Algorithmfor7论文美国2014雍龙泉Least AbsoluteMathemati学1DeviationcsAn exponential-enhanced-type varying-Neurocom
2019.
04.陕西理工大张智军、张鹏8论文美国2019parameter RNNfor21puting学超solving time-varyingmatrix inversionAnAdaptive UniformDistributionORBIEEE陕西理工大姚晋晋、张鹏9论文Based onImproved美国20197Access学超、王彦Quadtree基于改进四叉树的ORB
2020.
06.计算机工程陕西理工大姚晋晋、张鹏10论文特征均匀分布算法中国2020学超、王彦15与设计
七、主要完成人情况姓名张鹏超排名1行政职务陕西省工业自动化重点实验室常务副主任技术职称教授工作单位陕西理工大学完成单位陕西理工大学对本项目贡献项目负责人,项目技术方案的设计制定,组织协调等工作;主要学术和技术创造性贡献:主持完成陕西省工业科技攻关项目;主持完成2016GY-070陕西省教育厅年重点科研究研究项目;主持完成西安优艾智和机器人科技有限201616JS017公司校企合作项目姓名皇金锋排名2行政职务无技术职称副教授工作单位陕西理工大学完成单位陕西理工大学对本项目贡献参与本项目总体设计,建立了三相电压型逆变器数学模型,并对该数学模型进行了研究参与了高速、高精度检测机器人控制平台的研制,利用该平台进行了控制算法的验证参与完成了西安优艾智和机器人科技有限公司校企合作项目姓名马帅旗排名3行政职务无技术职称副教授工作单位陕西理工大学完成单位陕西理工大学对本项目贡献参与本项目总体设计,建立移动机器人测试平台并进行系统调试、参与了高速、高精度检测机器人控制平台的研制,利用该平台进行了控制算法的验证参与完成了西安优艾智和机器人科技有限公司校企合作项目姓名雍龙泉排名4行政职务无技术职称教授工作单位陕西理工大学完成单位陕西理工大学对本项目贡献
①提出了处理实验数据的最小一乘方法,给出了求解最小一乘问题的启发式算法;最小一乘具有较好的鲁棒性,且不受异常值的影响
②针对非线性规划,给出了一种约束处理方法将不等式约束转化为等式约束,进而通过构造静态罚函数将原问题转化为无约束优化,采用启发式算法求解,并应用于工程优化问题这些研究为实验数据处理和非线性规划提供了统一的理论框架,同时也为最优化理论与算法探索一个新的研究方向,具有重要学术价值姓名张智军排名5行政职务无技术职称教授工作单位陕西理工大学完成单位陕西理工大学对本项目贡献随着人工智能的广泛应用,机器人越来越多的参与我们的生活,对机器人反映速度及目标定位精度的要求也不断提高,主要研究利用压缩感知等新算法在少数据量情况下进行快速、高精度的目标定位,利用四元数等数学模型提高算法对噪声鲁棒性和干扰的抑制能力,从而加速机器人的对任务的响应速度,缩短响应时间姓名姚晋晋排名6行政职务无技术职称无工作单位陕西理工大学完成单位陕西理工大学对本项目贡献采用改进特征提取基于局部一致性的方法进行图像匹配,用于解决特征匹配对尺度、ORB光照变化敏感的问题,提高机器人成像的清晰度和目标识别能力,加快图像数据传输速率姓名王彦排名7行政职务无技术职称无工作单位陕西理工大学完成单位陕西理工大学对本项目贡献基于重采样技术对激光系统开展优化设计,在采样过程中加入最近一帧的激光观SLAM测模型,减少机器人在运动过程中构建地图所需要的粒子数,研究自适应优化组合重采样方法,以缓解粒子耗尽现象,保持粒子的多样性,利用和搭建的平台进行Turtlebot2Rplidar A2实验验证
八、主要完成单位及创新推广贡献单位名称陕西理工大学对本项目主要学术贡献陕西理工大学机器人技术与应用创新团队依托陕西省工业自动化重点实验室该创新团队在工业机器人控制技术攻关、产品设计、学术研究和人才培养等方面均取得了较好的成绩,并得到了省厅及企业项目的支持部分成果已经转化应用并取得了一定的经济效益和社会效益学术贡献主要是硬件底层驱动开发、移动机器人数学建模与控制方法、环境感知SLAM与定位方法
九、完成人合作关系说明合作关系说明
1.完成人张鹏超,皇金锋,马帅旗,雍龙泉,张智军,姚晋晋,王彦为项目组核心人员其中张鹏超,皇金锋,雍龙泉等合作进行了硬件底层系统开发和系统建模与控制方法研究张鹏超,皇金锋,姚晋晋,王彦,马帅旗合作开展复杂环境下移动操作机器人的环境感知与定位技术研究,形成了基于激光雷达、机器视觉等的构图与定位方法SLAM张鹏超、皇金锋、雍龙泉、张智军进行了控制方法优化与产品设计优化张鹏超、皇金锋、马帅旗进行本项目推广示范,为多种移动操作机器人进入市场开展了大量工作合作关系情况汇总表
2.序号合作合作者/项目合作起始时间合作完成时间合作成果证明材料万式排名开展专利、论文、主要知识产权
1、
2、1张鹏超八2009年2020年试验立项5及立项、获奖开展主要知识产权
3、42皇金锋/22009年2020年论文、立项试验及立项、获奖开展主要知识产权6及3马帅旗/32009年2020年立项、论文试验立项、获奖开展主要知识产权6及4雍龙泉/42012年2020年立项、论文试验立项开展主要知识产权7及5张智军/52014年2020年立项、论文试验立项开展主要知识产权
8、96姚晋晋/62017年2020年立项、论文试验及立项开展主要知识产权10及7王彦/72017年2020年立项、论文立项试验。