Intelligence & Robotics精选文章合集（二） | 机器人与控制系统前沿技术

• 作者：Hongwei Liu, Yang Jiang, Manlu Liu, Xinbin Zhang*, Jianwen Huo, Haoxiang Su（西南科技大学）
• 摘要：软体机器人具有灵活性高、自由度多等优点，在探索复杂非结构化环境中有着广阔的应用前景。在复杂的空间环境中，软体机器人存在运动学耦合问题，这对软体机器人臂段之间的运动规划带来了挑战。在求解软体机器人逆向运动学时，往往只有少数解甚至无解，软体机器人避障控制也难以实现。本文利用节段恒定曲率假设推导了正负运动学关系，并设计了尖端自生长算法，以降低软体机器人逆向运动学中参数求解难度，从而避免运动耦合。最后通过结合改进的粒子群算法，进一步加快路径优化的收敛速度和精度。仿真结果证明该方法能够成功地实现软体机器人在复杂空间中的运动，且具有较高的计算效率和精确度，验证了研究方法的有效性。

• 引用本文：Liu, H.; Jiang Y.; Liu M.; Zhang X.; Huo J.; Su H. Path planning with obstacle avoidance for soft robots based on improved particle swarm optimization algorithm. Intell. Robot. 2023, 3, 565-80.

  http://dx.doi.org/10.20517/ir.2023.31

• 作者：Minghua Luo, Jianwen Huo*, Manlu Liu, Zhongbing Zhou（西南科技大学）
• 摘要：放射源的有效管理和监测对保障核安全、人体健康和生态环境至关重要。本文提出了一种基于粒子群优化粒子滤波的多机器人协作放射源搜索算法。该算法中，每个机器人作为一个移动观测平台，利用最新观测数据融合成粒子采样。同时，粒子群优化算法将粒子集移动到高似然区域以克服粒子退化问题。此外，每个粒子可以借鉴其他粒子的搜索历史以加快算法的收敛速度。最后，采用动态窗口避障方法（DWA）在复杂山区地形中避障，实现高效的源搜索。实验结果表明，所提算法的搜索成功率高达95%，平均搜索时间仅为3.43秒。

• 引用本文：Luo, M.; Huo J.; Liu M.; Zhou Z. Multi-robot cooperative search for radioactive sources based on particle swarm optimization particle filter. Intell. Robot. 2023, 3, 685-97.

  http://dx.doi.org/10.20517/ir.2023.38

• 作者：Helin Wang, Qijun Chen（同济大学）
• 摘要：适应性和鲁棒性是双足机器人智能步行能力的重要体现。本文研究双足机器人在外力作用下的动态步行和鲁棒控制问题。由于机器人系统具有强耦合、混合的特点，采用拉格朗日方程将系统建模为刚性运动链。提出了一种基于滑模控制（SMC）和混合零动力学的自适应反馈控制器。本文的创新之处在于考虑了误差上限的不确定性。提出混合鲁棒控制用自适应权重逼近未知的动态函数。利用限制性庞加莱返回映射分析非线性脉冲系统的稳定性，保证连续子系统的流动能够通过冲击截面。最后，仿真结果表明，提出的自适应SMC控制系统在发生故障时能够很好地跟踪参考轨迹，验证了所提方法的有效性。

• 引用本文：Wang, H.; Chen Q. Adaptive robust control for biped walking under uncertain external forces. Intell. Robot. 2023, 3, 479-94.

  http://dx.doi.org/10.20517/ir.2023.26

• 作者：Chunhui He, Haosheng Sun, Qingxiang Wu*, Yuanhao Su, Ning Sun（南开大学）
• 摘要：四旋翼飞行器广泛应用于交通运输、航拍、农业保护等重要领域。然而固定结构的四旋翼飞行器在通过或进入狭窄空间进行操作时会面临很大的挑战。为了提高四旋翼飞行器在不同环境下的穿越能力，本文设计了一种可变形四旋翼飞行器，增加四个伺服电机来独立改变四个臂的转动角度，并建立了动态模型和动态控制分配矩阵。此外，考虑到形态变化和外界干扰引起的内部动态变化可能会影响系统稳定性，提出了一种基于广义比例积分（GPI）观测器的控制方法来增强系统鲁棒性，并给出了相应的稳定性分析。最后的仿真结果证明了所提出的基于GPI观测器的自抗扰控制方法的有效性。

• 引用本文：He, C.; Sun H.; Wu Q.; Su Y.; Sun N. GPI observer-based active disturbance rejection control for a morphing quadrotor. Intell. Robot. 2023, 3, 274-87.

  http://dx.doi.org/10.20517/ir.2023.18

• 作者：Narawich Songthumjitti, Takeshi Inaba*（日本东海大学）
• 摘要：在人机系统中，导纳控制广泛用于机器人的控制。但该方法的问题在于稳定性会受到机器和操作人员的刚度影响。为了尽量减少由于结构刚度不足引起的振荡问题，本研究采用了补偿方法，具体为前馈补偿和加速度反馈补偿。仿真结果表明，两种补偿方法都可以扩大系统的稳定区域。然而，考虑到系统结构参数的不确定性时，加速度反馈补偿比前馈补偿更为适用。即使在系统没有完美实现的情况下，加速度反馈补偿也能保持系统的稳定性，而前馈补偿则会显著减小稳定区域。从实验中也证实了加速度反馈系统比前馈系统具有优势，这种使用加速度计的简单反馈可以补偿机器人结构刚度的不足，并大大提高人机系统的稳定性。

• 引用本文：Songthumjitti, N.; Inaba T. Stability compensation of an admittance-controlled cartesian robot considering physical interaction with a human operator. Intell. Robot. 2023, 3, 306-36.

  http://dx.doi.org/10.20517/ir.2023.20

• 作者：Xiaomo Yan, Hong Wang*（美国橡树岭国家实验室）
• 摘要：本文提出了一种新颖的方法，用于对多层控制系统结构进行设定点的优化调整，这种结构广泛用于机器人技术和其他由多个子系统组成的复杂工业过程。采用终端滑模控制（SMC）用作底层控制策略，以确保子系统的稳定性。在存在不确定性时，外环通过调节设定点能够改善系统性能的下降。为此，设计了新设定点的学习以补偿系统运行过程中不确定性造成的影响。同时，证明了在引入补偿时系统仍保持在原始设定点附近。本文通过对全向移动机器人系统的实际应用进行了验证，获得了理想的结果。

• 引用本文：Yan, X.; Wang H. Operational control with set-points tuning - application to mobile robots. Intell. Robot. 2023, 3, 113-30.

  http://dx.doi.org/10.20517/ir.2023.06

• 作者：Qihai Sun, Zhi-Wei Liu*, Ming Chi, Ming-Feng Ge, Dingxin He（华中科技大学）
• 摘要：本文研究时变扰动下的多无人水面艇（USVs）最优覆盖控制问题。针对该问题，设计了干扰向量观测器来逼近未知的时变干扰，证明了估计的干扰向量能够在有限时间内收敛于实际干扰向量。为达到任务区域的最佳覆盖效果，借鉴逐层设计的控制思想，设计无人水面艇的期望速度，通过跟踪期望速度，无人水面艇网络可以实现任务区域的最佳覆盖效果。基于估计的干扰，设计了鲁棒覆盖控制器，实现无人水面艇在有限时间内对期望速度的跟踪，最终实现无人水面艇网络对任务区域的最佳覆盖效果。最后，给出相应的仿真结果，验证了所提方法的有效性。

• 引用本文：Sun, Q.; Liu Z. W.; Chi M.; Ge M. F.; He D. Robust coverage control of multiple USVs with time-varying disturbances. Intell. Robot. 2023, 3, 242-56.

  http://dx.doi.org/10.20517/ir.2023.15

• 作者：Hong-Tao Sun, Jinming Huang*, Zhi Chen, Zhiwen Wang（曲阜师范大学）
• 摘要：本文研究了一种基于状态测量感知的改进事件触发控制方法，用于自主地面车辆的路径跟踪控制。首先，为了动态调整事件触发阈值，本文首先采用类障碍函数开发了一种新型的状态敏感事件触发通信（SS-ETC）方案。与现有的可变阈值事件出发控制（ETC）方案不同，所提出的SS-ETC 将状态测量直接纳入事件阈值调整中，避免了以往方法中引入额外项或动态模型的需求。其次，通过输入时滞方法，表征了包含物理动态和SS-ETC方案的网络化路径跟随控制建模问题，并推导了控制器设计方法，确保路径跟随控制系统的输入到状态稳定性。本文的主要优势在于所提出的 SS-ETC方案在控制和通信之间表现出更好的平衡。最后，通过多项仿真实验验证了所提事件触发控制方案的有效性。

•  引用本文：Sun, H. T.; Huang J.; Chen Z.; Wang Z. State-sensitive event-triggered path following control of autonomous ground vehicles. Intell. Robot. 2023, 3, 257-73.

  http://dx.doi.org/10.20517/ir.2023.17

• 作者：Danjie Zhu, Tao Yan, Simon X. Yang*（加拿大圭尔夫大学）
• 摘要：无人水下航行器（UUV）的运动规划与跟踪控制技术对于高效、鲁棒的 UUV 导航至关重要，这对于水下救援、设施维护、海洋资源勘探、水上娱乐等领域尤为关键。全球范围内对 UUV 运动规划与跟踪控制的研究发展迅速，通常分为以下几个主题：多 UUV 系统的任务分配、UUV 路径规划和 UUV 轨迹跟踪。本文全面回顾了 UUV 运动规划与跟踪控制的传统和智能技术，分析了文献中各类方法的优缺点。此外，还探讨了UUV运动规划与跟踪控制面临的挑战及其未来研究的可能发展方向。

• 引用本文：Zhu, D.; Yan T.; Yang S. X. Motion planning and tracking control of unmanned underwater vehicles: technologies, challenges and prospects. Intell. Robot. 2022, 2, 200-22.

  http://dx.doi.org/10.20517/ir.2022.13

• 作者：Tao Yan, Zhe Xu, Simon X. Yang*, S. Andrew Gadsden（加拿大圭尔夫大学）
• 摘要：本文全面概述了多自主水下航行器（AUV）编队控制的最新发展，列举了几种常用的编队协调结构和方法，讨论了每种方法的优缺点。从AUV的特点、恶劣的水下环境和通信限制等方面，阐明并分析了实用AUV编队系统综合面临的困难，全面回顾了解决这些挑战的最新解决方案。在此基础上，进行了简要讨论，并指出了未来的工作重点，旨在为进一步推动AUV编队应用提供帮助。

• 引用本文：Yan, T.; Xu Z.; Yang S. X.; Gadsden S. A. Formation control of multiple autonomous underwater vehicles: a review. Intell. Robot. 2023, 3, 1-22.

  http://dx.doi.org/10.20517/ir.2023.01

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