基于遗传算法的水空两栖机器人可变形翼剪叉机构优化设计.pdf
《基于遗传算法的水空两栖机器人可变形翼剪叉机构优化设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于遗传算法的水空两栖机器人可变形翼剪叉机构优化设计.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 第4 1卷 第8期2 0 2 3年8月MA CH I N E R Y&E L E C T R ON I C SV o l.4 1 N o.8A u g.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 1 1 2 4作者简介:邸 欢(1 9 9 7-),男,辽宁大连人,硕士研究生,研究方向为智能机器人;赵东标(1 9 6 3-),男,安徽蚌埠人,教授,博士研究生导师,研究方向为机电控制及自动化、数控技术和机器人技术等,通信作者。基于遗传算法的水空两栖机器人可变形翼剪叉机构优化设计邸 欢,赵东标,杜城融(南京航空航天大学机电学院,江苏 南京 2 1 0 0 1 6)摘 要:针对水空两栖机器人可变形翼的剪
2、叉机构拟合问题,根据最优化思想,构建剪叉机构的几何模型,提出了一种优化算法以及优化流程框架。应用遗传算法对剪叉机构几何参数进行优化设计,探究剪叉单元数量与拟合误差值之间的关系,分析了优化结果对变形翼的影响,对水空两栖机器人可变形翼剪叉机构的设计有一定帮助。关键词:两栖机器人;可变形翼;剪叉机构;优化设计;遗传算法中图分类号:TH 1 1 2;T P 2 4 2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1 2 2 5 7(2 0 2 3)0 8 0 0 6 5 0 6O p t i m a l D e s i g n o f S c i s s o r S t r u c t u r e s o
3、f D e f o r m a b l e W i n g o f t h eW a t e r a i r A m p h i b i o u s R o b o t B a s e d o n G e n e t i c A l g o r i t h mD I H u a n,Z H A O D o n g b i a o,D U C h e n g r o n g(C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,N a n j i n g U n i v e r
4、s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s,N a n j i n g 2 1 0 0 1 6,C h i n a)A b s t r a c t:F o r t h e p r o b l e m o f f i t t i n g m u l t i p l e c u r v e s t o t h e s c i s s o r s t r u c t u r e s o f d e f o r m a b l e w i n g o f a m p h i b i o u s r o b o t,a
5、n o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m a s w e l l a s a n o p t i m i z a t i o n p r o c e s s f r a m e w o r k i s p r o p o s e d b a s e d o n t h e o p t i m i z a t i o n i d e a t o c o n s t r u c t a g e o m e t r i c m o d e l o f t h e s c i s s o r s t r u c t u r e s i n t h e p
6、a p e r.G e n e t i c a l g o r i t h m i s a p p l i e d t o o p t i m i z e t h e d e s i g n o f t h e g e o m e t r i c p a r a m e t e r s o f t h e s c i s s o r s t r u c t u r e s.T h e r e l a-t i o n s h i p b e t w e e n t h e n u m b e r o f s c i s s o r u n i t s a n d t h e v a l u e
7、o f f i t t i n g e r r o r i s e x p l o r e d,a n d t h e i n f l u e n c e o f t h e o p t i m i z a t i o n r e s u l t s o n t h e d e f o r m a b l e w i n g i s a n a l y z e d,w h i c h i s h e l p f u l f o r t h e d e s i g n o f t h e s c i s s o r s t r u c t u r e s o f d e f o r m a b
8、l e w i n g o f t h e w a t e r a i r a m p h i b i o u s r o b o t.K e y w o r d s:a m p h i b i o u s r o b o t;d e f o r m a b l e w i n g;s c i s s o r s t r u c t u r e s;o p t i m a l d e s i g n;g e n e t i c a l g o r i t h m0 引言目前,无人飞行器广泛应用于地图测绘、灾害监测和军事侦察等领域,对于国民经济和国防建设有着重要的作用1。但是当作业任务从空中延伸
9、到水中时(如兼顾空中和水中的军事侦察和军事打击;发 生 重 大 海 洋 事 故 时 的 海 上 搜 救 与 物 资 运送2),单一的无人飞行器因为其工作环境的限制,无法完成多种工作模式和工作环境下的运行,往往需要搭配无人潜航器才能完成任务。这种工作模式和工作环境需要多个设备协同工作,复杂度高。为提高飞行器的环境适应性,扩展应用场景,水空两栖机器人成为研究重点。水空两栖机器人是一种既可以在水中航行,也能在空中飞行的水空两栖飞行器,既能够实现空中的快速部署和高速飞行,也兼具了水中航行的隐蔽性与机动性,能够应对复杂的工作环境。相比无人飞行器,跨介质飞行器有更多的技术难点,结构布562 0 2 3(8
10、)局、动力能源以及介质过渡方式等是跨介质飞行器设计的难点所在。跨介质机器人的核心结构就是其动力推进系统,为了适应水下和空中2种工作环境,要求提供动力的旋翼可以变形,具有水下螺旋桨和空中旋翼2种形态。可展机构就是构成这种可变形翼的最常用的结构。可展机构起源于2 0世纪6 0年代,在航空航天、建筑等领域有着广泛的应用3。可展机构是由可动的预制单元集成的4,可以实现稳定的初始态和最终态5。由于剪叉式可展机构的可展性好、组合方便6,所以被广泛应用于可展结构,蔡建国等7都曾对基于剪叉单元的可展结构进行研究。本文对水空两栖机器人的可变形翼结构进行研究,在可变形翼中放置2组纵列剪叉结构来拟合变形翼的上下表面
11、,对剪叉单元建立数学模型,以剪叉机构拟合多条曲线为优化目标,用遗传算法为优化算法,对所求剪叉机构进行优化设计。1 变形翼设计参数要求及基本结构本文所研究的水空两栖机器人的可变形翼是由2组纵列剪叉作为基本结构,利用剪叉机构的变形来实现变形翼在2种姿态上的切换,变形翼的设计参数要求如表1所示。表1 变形翼设计指标参数空中翼展直径/mm水下翼展直径/mm扭转角变化/()3 0 01 8 01 0 变形翼翼形在水下时翼展较小,弦长相对较长,扭转角较大,当出水后在空中飞行时翼展较大,弦长相对较小,扭转角较小,故变形翼要实现这2种形状的转换,变形翼变形前后翼形如图1所示。()?a()?b图1 变形翼变形前
12、后翼形2 剪叉单元的数学模型2.1 剪叉单元剪叉单元由两支杆通过中间铰链连接构成,如图2所示。支杆A=pl,o,pr 由2个直杆o pl和o pr在o点固连,两直杆间固定夹角为;1个剪叉单元包括2个支杆,分别为A1=p1,l,o1,p1,r,A2=p2,l,o2,p2,r,两支杆可绕中间铰接节点o相对转动。定义一剪叉单元X=A1,A2=p1,l,o1,p1,r;p2,l,o2,p2,r。在不考虑厚度的前提下,两支杆共面,o1点和o2点重合,为剪叉单元的共用铰接节点,故o1=o2。每个剪叉单元X包含6个几何参数Q(X)=b1,l,1,b1,r;b2,l,2,b2,r,其 中b1,l,b1,r和b
13、2,l,b2,r分别为直杆o1p1,l,o1p1,r和o2p2,l,o2p2,r的长度,1和2分别为o1p1,l,o1p1,r的夹角。prp1,lp2,rp1,rp2,l12oo12=plblbr()?aA()?bo图2 剪叉单元组成及其参数连接剪叉单元上下关节的假想线称为单元线。通过改变剪叉销钉的位置可以生成各种剪叉结构,从而改变单元线8。对于由直支杆组成的剪刀单元,1=2=,如果单元线彼此平行,则为平行剪叉单元(图 3 a),此时b1,lb2,r=b2,lb1,r;如果单位线在1个点相交,则为极线剪叉单元(图 3 b),此时b1,l=b2,l,b2,r=b1,r。对于非直支杆组成的剪叉单元
14、,1=2,则为成角度剪叉单元,其单位线相交于一点(图3 c);当满足b1,l=b2,r,b2,l=b1,r时,单位线所成夹角保持不变。?()c?()?a(?)b?图3 3种形式剪叉单元2.2 剪叉机构剪叉机构S=Xj nj=1由一系列剪叉单元铰接而成,设铰接点为P点,即p2,rj=p1,lj+1,p1,rj=p2,lj+1,j=1,2,n。n个剪叉单元组成的剪叉机构包含6n个几何参数,剪叉机构参数如图4所示。p1,l1oo1211=pp21,rl12=oo1222=ppp211,rll23=j211211221j2jpp12,rl12=pp,=2 l1 r23p2,l1oo12jj=p2,rj
15、pp21,rlnn-1=oo12nn=p2,rnp1,rnpp12,rlnn-1=p1,rjp2,lj1n2n图4 剪叉机构66邸 欢等:基于遗传算法的水空两栖机器人可变形翼剪叉机构优化设计机电一体化3 平面剪叉机构约束方程3.1 刚性约束剪叉单元由2个支杆组成,支杆的2个直杆长度不变,故通过约束两铰接节点之间的坐标距离恒等于直杆长度来定义刚性特性,约束方程为(xo1j-xp1,lj)2+(yo1j-yp1,lj)2=(b1,lj)2(xo2j-xp2,lj)2+(yo2j-yp2,lj)2=(b2,lj)2(xo1j-xp1,rj)2+(yo1j-yp1,rj)2=(b1,rj)2(xo2j
16、-xp2,rj)2+(yo2j-yp2,rj)2=(b2,rj)2(1)j=1,2,3,n3.2 节点约束节点约束保证销接节点始终保持连接,即o1j=o2jp2,rj=p1,lj+1p1,rj=p2,lj+1 j=1,2,3,n(2)3.3 剪叉单元约束保证剪叉单元中每个支杆的两直杆角度不变,在变形过程中两支杆相对位置不变,即Xp1,ljo1jXo1jp1,rj-b1,ljb1,rjs i n 1j=0Xp2,ljo2jXo2jp2,rj-b2,ljb2,rjs i n 2j=0Xp1,ljo1jXo1jp1,rj-b1,ljb1,rjc o s 1j=0Xp2,ljo2jXo2jp2,rj-
17、b2,ljb2,rjc o s 2j=0(3)j=1,2,3,n4 优化设计算法4.1 遗传算法遗传算法(GA)是模仿自然界中生物遗传进化的启发式算法,是工程领域研究中常用来解决优化问题的方法之一9,其主要思想为利用子代遗传和变异来得到优秀或者对外界适应性强的个体。遗传算法在生物进化的基础上运算,过程主要包括编码、自然选择、交叉和变异等生物进化特征。遗传算法的核心内容主要由4个基本要素组成,分别是编码、适应度函数、遗传算子以及相关运行参数。4.2 平面剪叉机构优化设计此剪叉机构用于水空两栖无人机的可变形翼,将其置于变形翼之中,使用剪叉上铰接点拟合变形翼上表面,剪叉下铰接点拟合变形翼下表面。由于
18、变形翼有空中和水下2种形态,故有4条曲线,分别为pu0、pd0、pu1和pd1,其中pu0和pd0 为变形翼在空中的2条曲线,pu1和pd1为变形翼在水下的2条曲线。本文的目的在于设计如图4所示的平面剪叉机构S,其初始状态可以很好地趋近初始曲线pu0和pd0,同时变形后同时可以趋近目标曲线pu1和pd1。水空两栖无人机在工作时,对空中变形翼形状要求严苛,所以在优化时初始状态设置铰接点均在pu0和pd0上,对铰接点均布情况及剪叉变形后与目标曲线pu1和pd1偏离程度进行优化。剪叉机构优化主要包含2个方面:拓扑构造和几何优化1 0。首先给定2个初始曲线pu0和pd0和目标曲线pu1和pd1,参考文
19、献1 1 的理论设置曲线,即pu0=2 0 s i n3 0 0 x pd0=2 0 s i n3 0 0 x -2 0pu1=2 0 s i n2 0 0 x -3 0pd1=2 0 s i n2 0 0 x -7 0 (4)根据给定的二维初始曲线进行机构拓扑构造,给定剪叉机构中剪叉单元的数量n(n2),确定机构的边界条件。根据上述剪叉单元的铰接节点几何参数对剪叉进行几何优化,优化的适应度函数为m i nn-1j=2 fpu1(xp2,rj)-yp2,rj 2+fpu1(xp1,rj)-yp1,rj 2(5)p2,rj=(xp2,rj,yp2,rj)nj=2和p1,rj=(xp1,rj,yp
20、1,rj)nj=2分别为曲线pu1和pd1状态时最优化铰接点坐标值。此适应度函数仅对剪叉拟合度进行了优化,但是考虑结构强度及可动性等条件1 0,再对剪叉单元的均布性进行优化。x为剪叉单元之间距离的均方差值,即x=n-1j=1xp1,lj-xp1,lj+1 2nm i nn-1j=1xp1,lj-xp1,lj+1 2-x-2n (6)在优化过程对剪叉机构进行线性和非线性约束,即刚性约束的约束方程如式(1)所示,节点约束的约束方程如式(2)所示,剪叉单元约束的约束方程如式(3)所示。4.3 优化结果在优化边界条件设置中,剪叉机构左右端点762 0 2 3(8)p1,l1、p2,l1和p1,lj、p
21、2,lj 设置在曲线两端;铰接点p均在曲线pu0和pd0上,铰接点o在两曲线中间,对各坐标点设置上下限约束,最后对适应度函数进行优化计算即可得出所求平面剪叉机构。优化过程流程如图5所示。?ppdd01ppu0、0?:?n?:?、???????Y?NNYGA?:.?.?.?123?:?GA?图5 优化设计流程当剪叉数量n=2时的优化结果如图6所示。给出了初始曲线pu0和pd0和目标曲线pu1和pd1及优化后剪叉机构拟合2组曲线的构型示意。图6中初始曲线及最终拟合曲线为式(4),线段为剪叉机构的剪叉杆通过铰接节点连接,上下分别为空中翼形纵截面和水下翼形纵截面。p2,l1l2l1p1,l1o o12
22、11()l3l5l6l7l8pp21,rl12()pu0pu1pd1l4pd0pp21,rl23()o o1222()pp12,rl12()pp12,rl23()1243?图6 剪叉数量n=2时优化结果4.4 优化结果对变形翼的影响n=2时各几何参数及铰节节点坐标值的最终优化结果如表2所示。为了效果直观,函数曲线pu1和pd1向下有一定的偏移量,表中数值为减去偏移量的初始数值。从表2可知,当n=2时优化结果不是很理想,适应度函数值偏大,根据翼型的升阻特性,得到变形翼的升力和阻力为1 2Fl=12ClV2AFd=12CdV2A(7)变形翼的动力特性主要取决于式(7)中的升力系数Cl与阻力系数Cd
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 遗传 算法 两栖 机器人 变形 翼剪叉 机构 优化 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。