機械工程學(xué)報論文模板.doc

輪式移動機器人運動學(xué)建模方法 二號黑體 常 勇 1 2 馬書根1 3 王洪光1 談大龍1 四號仿宋 1 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機器人學(xué)國家重點試驗室 沈陽 110016 五號宋體 文中數(shù)字和字母為 Times New Roman 2 中國科學(xué)院研究生院 北京 100039 3 日本立命館大學(xué)機器人系 滋賀 525 8577 日本 摘要 小五黑體 研究輪式移動機器人運動學(xué)建模方法問題 提出用于不規(guī)則地形下的輪式移動機器人運動學(xué)建模方法 輪心建模法 Wheel center modeling WCM 在分析多剛體鏈式結(jié)構(gòu)運動的速度特性以及不規(guī)則地形上輪式移動機構(gòu)轉(zhuǎn)動角速 度特性的基礎(chǔ)上 建立車輪輪心速度的矢量表達式 即確立 WCM 以六輪搖臂轉(zhuǎn)向架月球漫游車的運動學(xué)建模為例 分析 各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角速度矢量在車體坐標系下的投影 并根據(jù)轉(zhuǎn)動矢量方向在車體坐標系中變化與否 將矢量叉乘的投影寫成不同 的形式 利用車輪輪心坐標系 輪地接觸坐標系相對于車體中心坐標系的齊次變換矩陣中的相應(yīng)元素 將車輪輪心的速度矢 量表達式投影到車體中心坐標系下 建立車體運動學(xué)模型 從中闡述 WCM 的方法和過程 并分析 WCM 的特點 用試驗和 仿真驗證該建模方法的正確性 小五宋體 摘要長度 300 500 字 關(guān)鍵詞 小五黑體 雙層輝光 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 預(yù)測模型 小五宋體 中圖分類號 小五黑體 TG156 小五 Times New Roman Research on ANN based Prediction Model Used to Double Glow Plasma Surface Alloying Processing 小三小三 CHANG 姓大寫 Yong1 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 五號 Abstract 小五黑體小五黑體 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 小五黑體小五黑體 Double glow Artificial neural network Prediction model 0 前言 四號宋體 五號宋體 離散頻譜分析只能在截斷的有限 國家自然科學(xué)基金資助項目 7150080050 xxxxxxxx 收到初稿 xxxxxxxx 收到修改稿 六號宋體 此處為角注 和正文分 長度時域上進行 不可避免地存在能量泄漏 導(dǎo)致 經(jīng)過快速傅里葉變換 Fast Fourier transform FFT 得到的頻譜 其頻率 幅值和相位均可能產(chǎn)生較大 的誤差 大大限制了該技術(shù)的工程應(yīng)用 因此需要 開 研究離散頻譜的校正技術(shù)以消除或大幅度減小這個 誤差 提高分析精度 對于單頻率成分或間隔較遠 的多頻率成分的離散頻譜 目前主要有比值法 能 量重心法 FFT FT 連續(xù)細化傅里葉變換分析法和 相位差法四種校正方法 1 其中能量重心法是 2001 年丁康等 2 在三點卷積幅值校正法基礎(chǔ)上提出來的 一種通用的離散頻譜校正方法 利用離散窗譜函數(shù) 的能量重心是坐標原點的原理求出頻率校正量 是 一種校正精度很高的近似方法 在實際工程應(yīng)用中所測得的信號通常伴隨有噪 聲 噪聲會影響頻譜校正精度 因此從理論上系統(tǒng) 的分析隨機噪聲背景下的各種離散頻譜校正方法的 精度 可為實際工程應(yīng)用中提供理論依據(jù) 具有重 要的指導(dǎo)意義 1992 年 SCHOUKENS 等 3 4 研究 了噪聲對內(nèi)插法的影響 2004 年齊國清等 5 對插值 FFT 估計的頻率精度進行了分析 2002 年朱利民 等 6 對一種特定時域平移相位差校正法 平移點數(shù) 等于 FFT 變換點數(shù) 的校正精度的影響進行了理論 分析和仿真計算 2007 年楊志堅等 7 8 對高斯白噪 聲背景下時移相位差校正法和改變窗長相位差法校 正精度進行了理論分析和仿真計算 目前還沒有學(xué) 者對噪聲背景下能量重心法頻率校正精度進行過系 統(tǒng)分析 能量重心法是一種通用的校正方法 能對 多段平均功率譜直接進行校正 特別適用于頻率有 微小波動的實際工況 在實際工程中得到很廣泛的 應(yīng)用 9 10 因此分析噪聲背景下能量重心法校正精 度有重要的意義 本文首先對高斯白噪聲影背景下 加對稱窗的離散頻譜利用能量重心校正法進行校正 的頻率校正精度進行了理論分析 推導(dǎo)其理論校 正誤差公式 進行了仿真驗證 并且對能量重心 法做了改進 使其具有更廣的適用性和更高的抗噪 能力 1 試驗方法和試驗方案 四號宋體 1 1 試驗方法 滲金屬試驗在自制雙層輝光離子滲金屬爐中進 行 源極材料為 Hastelloy C 2000 合金 尺寸為 130 mm 50 mm 4 mm 工件材料為 20 鋼 尺寸 為 80 mm 25 mm 3 mm 采用脈沖放電模式 源極采用直流電源 工件采用脈沖電源 源極材料 Hastelloy C 2000 的質(zhì)量分數(shù) wNi 59 wMo 1 6 wCr 23 wCu 1 6 wC 0 01 1 2 試驗方案 五號黑體 為了選定正交試驗各個工藝參數(shù)的取值范圍 先結(jié)合以往試驗研究的經(jīng)驗 然后又進行了 20 余 爐的摸索性試驗 確定了正交工藝參數(shù) 正交試驗 按照 L16 45 正交表進行試驗 指標項目為滲層表 面合金元素成分及總質(zhì)量分數(shù) 滲層厚度和吸收率 因素水平表如表 1 所示 表 1 因素水平表 小五黑體 水平 因素 六號宋體 1234 源極電壓 U V1 0501 000950900 工件電壓 U V275250350300 氣壓 p Pa35304540 極間距 d mm15202522 5 1 3 頻率校正誤差理論分析 沒有噪聲影響下的能量重心校正法的歸一化頻 率校正公式 2 1 1 n ki in n k ki in ki G fn G 式中 無噪聲功率譜中最大值譜線 k 第條功率譜線 ki G ki 在白噪聲背景下的歸一化頻率校正公式 2 1 r kr r n rki in n ki in ki P fn P 式中 白噪聲背景下功率譜中最大值譜線 r k 第條功率譜線 r ki P r ki 2 數(shù)學(xué)模型 在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)部分 采用三層 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來完 成函數(shù)的映射 誤差逆?zhèn)鞑ド窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有三 層或三層以上的階層型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 圖 1 為一個三層 前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 它包括輸入層 隱含層 中間層 輸出層 輸入層有 i 個節(jié)點 隱含層有 j 個節(jié)點 輸出層有 t 個節(jié)點 上 下層之間各神經(jīng)元實現(xiàn)全 連接 即下層的每一單元與上層的每一單元都實現(xiàn) 權(quán)連接 而每層各神經(jīng)元之間無連接 網(wǎng)絡(luò)按有教 師示教的方式進行學(xué)習(xí) 當(dāng)一對學(xué)習(xí)模式提供給網(wǎng) 絡(luò)后 神經(jīng)元激活值從輸入層經(jīng)各中間層向輸出層 傳播 在輸出層的各神經(jīng)元獲得網(wǎng)絡(luò)的輸入響應(yīng) 這以后 按減小希望輸出與實際輸出之間誤差的方 向 從輸出層經(jīng)各中間層逐層修正各連接權(quán)值 最 后回到輸入層 算法步驟如下所述 1 設(shè)置初始權(quán)系 w 0 為較小的隨機非零值 2 給定輸入 輸出樣本對 計算網(wǎng)絡(luò)的輸出 設(shè)第 p 組樣本輸入 輸出分別為 up u1p u2p unp dp d1p d2p dnp p 1 2 L 節(jié)點 i 在第 p 組樣本輸入時 輸出為 3 j jpijipip twftxfy 式中 IjP為在第 p 組樣本輸入時 節(jié)點 i 的第 j 個 輸入 圖 1 阻尼器屈服力矩 電流特性 圖中文字為六號 f 是激勵函數(shù) 采用 Sigmoid 型 即 4 exp 1 1 x xf 可由輸入層經(jīng)隱層至輸出層 求得網(wǎng)絡(luò)輸出層節(jié)點 的輸入 3 計算網(wǎng)絡(luò)的目標函數(shù) J 設(shè) Ep為在第 p 組樣本輸入時網(wǎng)絡(luò)的目標函數(shù) 取 L2范數(shù) 則 2 1 2 1 2 1 2 2 2 3 tetydtydtE k kp k kpkpppp 5 式中 ykp t 為在第 p 組樣本輸入時 經(jīng) t 次權(quán)值調(diào) 整網(wǎng)絡(luò)的輸出 k 是輸出層第 k 個節(jié)點 網(wǎng)絡(luò)的總目標函數(shù)為 6 tEtJ p P 作為對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)狀況的評價 判別 若 J 則算法結(jié)束 否則 至步驟 4 4 反向傳播計算 由輸出層 依據(jù) J 按 梯 度下降法 反向計算 逐層調(diào)整權(quán)值 圖 3 5 1 tw tw tJ twtw ij ij ijij 8 twtw tw tE ijij pij p 式中 為步長或稱為學(xué)習(xí)率 n 取 1 000 000 取 0 9 圖 2 路徑規(guī)劃三維圖 小五宋體 圖 3 輪齒本體溫度分布 圖 4 微壓印法制備的微復(fù)制模板及仿生鯊魚皮 圖 5 微生物細胞金屬化約束成形工藝流程 3 計算結(jié)果與比較 為檢驗程序的可靠性與實用性 同時又具有一 定的推廣能力 在正交試驗 16 組數(shù)據(jù)中選擇 13 組 作為訓(xùn)練樣本 余下的 3 組以及正交優(yōu)化工藝作為 檢測樣本 經(jīng)過 1 000 000 次訓(xùn)練的試驗數(shù)據(jù)與計 算結(jié)果的比較見表 2 表 3 表 2 預(yù)測滲層表面的成分 質(zhì)量分數(shù) w 編號 Ni Cr Mo Cu 549 88114 69511 3651 605 預(yù)測值51 73416 96211 2111 661 1250 51416 69114 0710 912 預(yù)測值51 17117 50913 0480 415 1650 29019 164 6 4801 308 預(yù)測值50 82618 104 7 81301 333 1757 16819 65514 7321 353 預(yù)測值59 89120 10712 1631 403 對雙層輝光離子多元共滲工藝參數(shù) 源極電壓 工件電壓 極間距 氣壓對滲層表面的合金元素總 質(zhì)量分數(shù) 滲層厚度 各合金元素質(zhì)量分數(shù) 吸收 率 工件增重 源網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練準確可靠 正交試驗按照 L16 45 正交表進行試驗 指標項目為滲層表面合 金元素成分及總質(zhì)量分數(shù) 滲層厚度和吸收率 從 表 2 表 3 可以看出訓(xùn)練樣本和檢測樣本的網(wǎng)絡(luò)實 際輸出值與期望值都很接近 說明應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)描 述雙層輝光離子滲金屬工藝參數(shù)與滲層的表面合金 成分和合金總質(zhì)量分數(shù) 滲層厚度 吸收率之間的 映射模型是十分有效的 表 3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與預(yù)測值 吸收率 s 滲層厚度 m元素總質(zhì)量分數(shù) w 試驗編號 源極電壓 U V 工件電壓 U V 極間距 d mm 氣壓 p Pa 試驗值 預(yù)測值 試驗值 預(yù)測值 試驗值 預(yù)測值 1111170 90070 58734 534 57987 49687 437 2122261 20060 87136 536 38089 79689 237 3133333 33032 84719 019 24584 89584 508 4144444 65044 40121 020 87177 57977 321 5 212348 10047 75325 524 95077 54676 796 17 121179 34080 92038 038 45992 90892 210 注 為檢測樣本值 試驗編號 17 為正交優(yōu)化工藝 六號宋體 4 結(jié)論 1 2 3 4 參 考 文 獻 五號黑體 以下參考文獻為作者參考格式用 和文中引用的 文獻不符 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 參考文獻為期刊的格式 2 朱祖超 超低比轉(zhuǎn)速高速離心泵的理論研究及工程實現(xiàn) J 機械工程學(xué)報 2000 36 4 30 33 括號里是期 不是卷 有些期刊有期和卷 有些只有一種 就只寫 一種 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 非英文的參考文獻采用非英文 英文雙語形式 3 DOWIET P Estimation of disassembly times R Manchester Manchester Metropolitan University 1994 參考文獻為報告的格式 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 參考文獻為在線電子文獻的格式 8 FOURNEYEYN M E Advancing into tholographical photoelasticity C American Society of Mechanical Engineers Applied Mechanics Division Symposium on Application