运动控制技术研究论文

摘要:论述虚拟人运动模型的建立和虚拟人运动控制技术。关键词:虚拟人运动控制关键帧运动捕捉虚拟人是人在计算机生成空间中几何特性与行为特性的逼真表示。虚拟人的运动生成及控制主要研究虚拟人在计算机生成空间中的动态特性,它应符合人体运动的基本规律,并能提供简单直观的控制方式。今天小编给大家找来了《运动控制技术研究论文 (精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

运动控制技术研究论文 篇1：

仿生鱼运动控制技术研究综述

摘 要：推进控制技术是微型仿生鱼实现变压器内部故障巡检的关键技术。本文通过分析微型仿生鱼的推进模式，介绍了不同模式下微型仿生鱼推进控制技术的发展现状，为进一步研制变压器微型仿生鱼样机奠定了基础。

关键词：微型仿生鱼;变压器;推进控制

微型仿生鱼具有体积小、能运动、能感知、能定位、能通信和少维护等优点。通过将微型仿生鱼置于变压器内部，直接对绕组、绝缘纸板表面等碳痕进行观察，可有效排查变压器内部绝缘故障。

推进控制技术是微型仿生鱼实现变压器内部故障巡检的关键。因此，研究微型仿生鱼的推进控制技术，对于研制变压器微型仿生鱼样机具有重要作用。

1 微型仿生鱼的游动模式

根据游动模式不同，仿生鱼可以分为身体/尾鳍推进模式(Body or Caudal Fin Propulsion，BCF)和中鳍/对鳍推进模式(Media or Paired Fin Propulsion，MPF)[1，2]。

1.1 BCF模式仿生鱼

BCF模式仿生鱼通过摆动身体的某一部分和尾鳍，能够产生向前推力。由于BCF模式仿生鱼能够快速、高效和连续游动，得到国内外广泛研究。

1.1.1 单关节摆动模式仿生鱼。单关节摆动模式仿生鱼通过摆动尾鳍产生向前的推力。北京航空航天大学研制的SPC-II仿生鱼长1.2m，能以1.5m/s的速度在水下连续游动2～3h。瑞士科学技术学院研制的Boxy Bot仿生鱼，通过箱鲀科模式尾鳍摆动产生向前的推力，并利用胸鳍控制方向，实现灵活运动，如图1所示。

1.1.2 多关节摆动模式仿生鱼。麻省理工学院研制的多关节摆动模式仿生鱼Robo Tuna与无人潜水器相比，具有更高的效率。哈尔滨工业大学研制的超冗余串并联机构仿生鱼，能够通过并联机构的内力调节实现仿生鱼的变刚度，如图2所示。

1.1.3 柔性体摆动模式仿生鱼。麻省理工学院采用硅胶制作柔性体仿生鱼的鱼尾，并通过线绳牵引使鱼尾进行摆动，具有较好的游动性能，如图3所示。美国东北大学研制的仿七鳃鳗鱼仿生鱼，利用电流对10条Ti-Ni丝进行加热，并根据其互伸长与缩短实现柔性鱼体摆动。

1.2 MPF模式仿生鱼

MPF模式仿生鱼主要借助尾鳍以外的其他鳍产生向前的推力，与BCF模式仿生鱼相比，具有更高的运动稳定性、定位能力和机动性。爱沙尼亚塔尔图大学研制的仿鳐鱼仿生鱼，采用胸鳍作为推进机构，游速可达5mm/s。新加坡南洋理工大学研制的仿墨鱼仿生鱼，质量达9kg，采用胸鳍作为推进机构，由电机驱动鳍条上下平动，游速可达20cm/s。美国东北大学研制的仿生魔鬼刀鱼仿生鱼，采用臀鳍作为推进机构，具有先进的感知能力。

2 仿生鱼运动控制技术研究现状

仿生鱼的运动控制指在液体环境中，根据仿生鱼运动情况对仿生推进器和操纵面进行控制，使其保持一定姿态并按指定轨迹运动。由于液体环境的复杂性及扰动的随机性，仿生鱼的运动控制较为复杂。国内外学者对其进行了广泛研究，采用的控制方法主要有逆运动学控制方法、常规闭环控制方法和智能控制方法[3]。

2.1 逆运动学控制方法

目前，国内外很多学者采用逆运动学控制方法对仿生鱼进行控制。针对BCF模式仿生鱼，采用逆运动学方法控制仿生鱼的尾鳍，使仿生鱼能够实现简单的游动[4]。针对MPF模式仿生鱼，采用逆运动学方法控制仿生鱼的拍动鳍和波动鳍，使仿生鱼能够自由游动[5]。由于逆运动学控制方法属于开环控制范畴，在本质上只能模仿仿生鱼的低层次运动形式，使仿生鱼完成直航、转弯等基本动作，但无法满足完成复杂动作及在不确定场合应用的控制需求。

2.2 常规闭环控制方法

鉴于逆运动控制方法不足，國内外学者将闭环控制方法引入仿生鱼控制，从而实现精确控制。采用PID控制器设计出一种基于形变补偿的仿生鱼控制方法，能够实现对仿生鱼的深度控制[6]。但由于PID控制器为线性控制，控制器的性能只有在设定工作点附近才具有较好的控制性能，难以在复杂液体环境和随机扰动下取得满意的控制效果。Liu J D[4] 基于自适应控制理论设计了一种自适应控制器，并将其应用于水下机器人控制，控制效果较好，但自适应控制需以精确数学模型为基础，在很大程度上限制了其应用。Chatchanayuenyong和Parnichkun采用滑膜控制对水下机器人进行定点控制，采用Pontryagin时间最优原则确定模态切换，并在模态切换阶段利用PI控制代替滑膜控制，控制响应良好，且无明显抖振现象。由于滑膜控制是以控制量的高频抖振换取对外界干扰和系统摄动的自适应性的，实际应用中执行器基本无法实现。

2.3 智能控制方法

由于仿生鱼自身动力学模型较为复杂，且所处液体环境干扰较多，采用传统基于模型的控制法对仿生鱼进行控制，难以取得较好效果。近年来，智能控制理论逐渐成熟，国内外学者开始将智能控制方法应用于仿生鱼控制。Kim 和Yuh通过改进传统模糊控制器，设计了一种自适应模糊控制器，并将其应用于水下机器人控制。张代兵针对波动鳍仿生水下机器人，通过分析生物节律运动的产生机制，并基于新型神经元振荡器模型，对其控制模型进行设计，使推进器实现各种模式的运动。Carreras、Ridao和Elfakdi通过利用神经网络逼近Q函数，并引入样本数据库，提出一种半在线神经Q学习算法，并将其应用于水下机器人的控制。

3 结论

与传统仿生鱼相比，变压器微型仿生鱼体积更小，但变压器内部环境较复杂。本文通过对仿生鱼游动模式进行分析，研究了仿生鱼的控制方法，为进一步研制变压器微型仿生鱼提供了基础。

参考文献：

[1]李永强.基于振动推进机理的柔性仿生鱼设计与实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

[2]颜钦.基于SMA的仿生柔性鱼鳍三维运动机理与实验研究[D].合肥：中国科学技术大学，2011.

[3]林龙信.仿生水下机器人的增强学习控制方法研究[D].长沙：国防科学技术大学，2010.

[4] Liu J D. A 3D Simulator for Autonomous Robotic Fish[J]. International Journal of Automation and Computing，2004(1)：42-50.

[5] Menozzi A， Leinhos H A， Beal D N， et al. Open-loop Control of a Multifin Biorobotic Rigid Underwater Vehicle[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering，2008(2)：59-68.

[6]周超，曹志强，王硕，等.仿生机器鱼俯仰与深度控制方法[J].自动化学报，2008(9)：1215-1218.

作者：贺欣 张应田 刘力卿 王伟

运动控制技术研究论文 篇2：

虚拟人运动控制技术研究

摘要:论述虚拟人运动模型的建立和虚拟人运动控制技术。

关键词:虚拟人 运动控制 关键帧 运动捕捉

虚拟人是人在计算机生成空间中几何特性与行为特性的逼真表示。虚拟人的运动生成及控制主要研究虚拟人在计算机生成空间中的动态特性,它应符合人体运动的基本规律,并能提供简单直观的控制方式。

1 虚拟人运动模型的建立

人体有二百多个关节,如果对人体进行关节化的建模生成三维人体模型,并提供所有关节的位置量和旋转角,产生模型的驱动数据进行仿真是一项艰巨的任务。为了有效的应用动力学方法进行虚拟人仿真,几何建模时应考虑三维人体的运动特性和动力学特性。将人体各部位体抽象为简单的刚性几何实体,即它们具有质量和转动惯量,这样可以避免人体各部位任意表面形状的复杂计算。描述人体的模型主要涉及人体的头、躯干、四肢等部位。人体模型各肢体之间存在运动连带关系,将关节看成点,将关节之间的骨骼看成是链,就可以按运动关系将各肢体连接起来。三维虚拟人体模型是由相应的部位体和关节组合而成的链状层次结构 ,其运动是由整体的平移、旋转以及各关节的旋转产生的。用树结构来表达人体模型的关节层次化结构如图1:

2 虚拟人运动控制

2.1 基于关键桢技术的运动控制

在应用关键帧技术产生虚拟人的运动时,应注意所插值的参数,否则会产生不恰当的运动。由于关键帧插值不考虑人体的物理属性以及参数之间的相互关系,因此插值得到的运动不一定是合理的,通常需要动画师对运动进行仔细的调整。尽管如此,由于关键帧技术的使用简便,因此仍然是最常用的动画生成方法。

从原理上说关键帧插值问题可归结为参数插值问题,传统的插值方法都可应用到关键帧方法中。但关键帧插值又与纯数学的插值不同,它有其特殊性。一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的,但从运动学或动画设计角度来看可能是错误的或者不合适的。用户必须能够控制运动的运动特性,即通过调整插值函数来控制速度的变动。为了很好地解决插值过程中的时间控制问题,用双插值的方法来控制运动参数。其中之一为位置样条,它是位置对关键帧的函数,另一条为运动样条,它是关键帧对时间的函数。

关键帧的位置插值可以由样条驱动插值和速度曲线插值实现。样条驱动动画是指先设计好物体的运动轨迹,然后指定物体沿该轨迹运动。通常,物体的运动轨迹为三次样条曲线,并且由用户交互给出。在利用速度曲线实现关键帧插值中,物体的运动可由速度曲线来控制。对于给定的时间,先由速度曲线得到弧长,然后由弧长计算出轨迹曲线上的点,最终实现位置插值。

关键帧插值系统中要解决的另一个问题是物体朝向的插值问题。物体的朝向一般可由Euler角来表示,因此朝向的插值问题可简单地转化为3个Euler角的插值问题。但Euler角又有它的局限性,因为旋转矩阵是不可交换的。Euler角的旋转一定要按某个特定的次序进行,等量的Euler角变化不一定引起等量的旋转变化导致了旋转的不均匀性。Shoemake为了解决因采用Euler角表示引起的麻烦,最早把四元数引入了动画中并提出了用单位四元数空间上的Bezier样条来插值四元数。

2 运动捕捉技术

运动捕捉方法是指通过传感设备记录人体在三维空间中的运动轨迹,并将其转化为抽象运动数据,然后根据这些数据驱动虚拟人运动的方法。为了达到虚拟人运动与控制的目的,通常还需要对运动捕捉数据进行编辑与合成。同时,运动编辑与合成还可以提高运动捕捉数据的可重用性、建立超乎实际的运动、突出次要运动以及生成新的复杂运动等。运动捕捉方法最大的优点在于虚拟人的运动基本上是真实人运动的复制品,因而效果非常逼真。但同时这种方法也存在运动捕捉设备昂贵、附加在表演人员身上的传感设备限制了人体的自由运动等缺陷。

从技术的角度来说,运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。典型的运动捕捉设备一般由以下几个部分组成:

(1)传感器:被固定在运动物体特定的部位,向系统提供运动的位置信息。

(2)信号捕捉设备:负责捕捉和识别传感器信号。

(3)数据传输设备:负责将运动数据从信号捕捉设备快速准确地传送到计算机系统。

(4)处理设备:负责处理系统捕捉到的原始信号,计算传感器的运动轨迹,对数据进行修正、处理,并与三维角色模型相结合。

基于运动捕捉的虚拟人控制大致可以分为以下几类:

(1)运动捕捉数据直接驱动

运动捕捉数据直接驱动就是将运动捕捉数据的空间坐标或者关节角赋给虚拟人模型,让模型根据原始数据运动。但是由于运动捕捉错误数据的存在,再加上表演者和模型的骨干匹配问题等,这种方法往往会产生很大的误差,致使人体运动变形。

(2)与关键桢综合

利用纹理和综合的方法,让动画师先设置少数的关键帧,根据运动捕捉数据来帮助制作动画。这样做的原因是由于在人和动物的运动中,关节之间有很多关联。这种关联在重复动作中更为明显。

(3)动力学匹配

动力学匹配是用有人性特点的动力仿真和跟踪控制器来跟随运动数据,因为在被捕捉的演员和虚拟人之间有很多的动力学匹配。人的运动数据被转成连接的角度且被用来作为轨迹控制器的期望值。控制器计算转动力矩,是基于系统状态和期望得到的连接角度的误差。得到的转动力矩应用于动力学模型,同时通过运动方程,就可以计算新的系统状态。

用动力学控制虚拟人的运动体现了人体运动的真实性,但运动规律性太强。在基于动力学的模拟中,也要考虑两个问题:正向动力学问题和逆向动力学问题: 正向动力学问题是根据引起运动的力和力矩来计算末端效应器的轨迹。逆动力学问题更有用,用户通过指定末端关节的位置,计算机自动计算出各中间关节的位置,即关节角是自动确定的,可以确定产生系统中规定运动的力和力矩。

3 基于物理的仿真技术

与关键帧技术不同,基于物理的仿真技术是利用动力学、生物力学等物理定律产生运动的。我们通常采用有关节的基于动力学的模型来实现动态仿真,即构建角色的动力学模型,通过仿真计算它们的运动。这就意味着物体的运动受物理规律的支配,以便创作自然逼真的动画。基于物理的仿真技术优越于其它运动控制技术的优点主要表现在:首先,利用基于物理的仿真技术可以生成用关键帧技术无法实现的完全符合物理特性的理想的运动,基于物理的仿真技术在体育训练方面的应用最为广泛;其次,在与用户的交互方面,基于物理的仿真技术能实现比关键帧或是运动捕获技术更精确的交互。

4 结语

虚拟人的运动控制需要解决的主要问题是:各种方法的组合以及现存运动的参数化。以上方法在运用时都存在利弊,体现在自动生成和手工控制之间。因此,将这几种技术融合使用,充分发挥每种技术的优势,就成为了目前一个很好的解决方法。

参考文献

[1] 吴家铸,党岗,刘华峰,程志全,阳明.视景仿真技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[2] 徐孟,孙守迁,潘云鹤.虚拟人运动控制技术的研究[J].系统仿真学报,2003年.

[3] 黄波士,陈福民.人体运动捕捉及运动控制的研究[J].计算机工程与应用2005.

作者：孙志伟　杨寅楠

运动控制技术研究论文 篇3：

超远程煤气检测机器人技术研究

摘 要 该机器人属于科技发明制作作品，可移动机器人由煤气传感器，超声波探测头，接收红外装置，舵机，51单片机，自制工业手机模块等组成。主体思想是利用煤气传感器检测煤气，51单片机对信息进行综合处理，GSM模块将信息融入到移动网络，给手机用户发送手机或者打电话，从而实现预警信号的超远程传送，与用户第一时间沟通，消除煤气事故隐患。可操作性强，经济性好，现实意义重大，市场前景十分广阔。

关键词 移动机器人;超远程传送;51单片机;工业手机

现如今煤气已经成为人们日常生活中不可或缺的重要能源，但随着人们对煤气的依赖程度的不断地提高，其后产生的安全问题自然而然的成为人们对煤气生产应用研究的重中之重。煤气泄漏导致重大事故屡见不鲜。目前，煤气检测预警技术已经发展到一定的程度，产品种类繁多，但大多是能预警而不能报警，能报警而不能及时通知相关人员获知准确的险情信息。这就导致了相关人员错过第一时间遏制事故发生的时机。

针对这一现象并结合我们小组人员自身的知识水平，我们小组通过集体讨论，极大程度的发挥各自组员的优势并最终确定研发一种能超远程预警报警系统——超远程煤气检测机器人。该系统采用可移动，超远程，快速反应为主旨的设计思想，综合运用51单片机，自制的工业手机，煤气传感器，超声波探测头，舵机等，再与相关的机械知识相结合。该机器人克服了目前相关产品的局限性，增加了运动的功能大大拓宽;了对煤气的检测范围并且在预报险情的同时还能准确将煤气设备的险情通知手机用户。在险情发生时让用户第一时间知道煤气泄漏的相关情况，并能及时采取相应措施，将损失降到最低。真正做到：出门万里行，尽知家中事。

1 总体思路

本课题主要研究方向是将煤气传感器检测到信息通过51单片机等技术融入到GSM移动网络中并最终以短信的形式或者呼叫的形式通知手机用户。

我们对机器人采用了满足“四能”基本要求的设计方案，即能移动，能检测，能报警，能实现信息的超远距传送。根据最初设计的“能移动”要求，我们将机器人外壳制作成一个用齿轮传动的四轮驱动装置，它是以固定蓄电池为动力来源。在机器人前面还安装有超声波探测头这使得机器人能够自动检测到前方的障碍物，大大加强了机器人的灵活性;“能检测”则是利用了机器人身上安装的煤气传感器，该装置能够实现对煤气的快速检测;“能报警”就是利用自制的工业手机和扩音器来实现的，当传感器检测到有煤气信号时通过51单片会的处理到工业手机上，工业手机就会发出声响，然后通过扩音器将声音扩大实现报警;“能超远距离传送”是将处理后的信号通过工业手机的GSM模块融入到移动网络中来实现的。

2 机器人结构说明

1)如图1机器人分为小车探测模块和煤气火灾报警模块即工业手机模块。

小车探测模块由51单片机，红外接收装置，煤气传感器，声光报警器，超声波探测头，舵机，电源，小车等组成。煤气火灾报警模块由自制工业手机，51单片机，12864液晶显示屏等组成。当有煤气泄漏时煤气传感器检测煤气，此时传感器将检测到的信号传给小车探测模块的51单片机A，51单片机A一边将信号传给声光报警器一边将信号传给煤气报警模块的51单片机B，然后经过处理后的信号立即传工业手机，工业手机中的GSM模块将信号传入移动网络中，以短信或者呼叫的形式传到用户手机上从而实现煤气信号的超远距传送。

小车使机器人具备可移动功能，大大加大了对煤气的探测范围。小车采用四轮驱动模式，动力强劲，其中的红外接收装置和超声波探测装置使得机器人能够探测到前方一定范围的障碍物，机器人更加灵活，所以也就能够在各种更加复杂的环境下工作。

2)如图2自制工业手机的操作面板，主要功能是将51单片机检测到的信号通过GSM融入到移动网络中。液晶显示屏显示相关信息，工业手机还具备手动拨号的能力。

3 操作原理说明

将机器人与煤气设备放置在同一空间，接通电源2使机器人处于工作状态。当放有煤气设备的地方处于无人看管的时候，处于工作状态下的机器人就会在煤气设备区域移动。在机器人检測到有煤气泄露的情况下，工业手机会立即自动给用户发送短信或者拨打电话直到用户接通电话。用户收到信息后只要给工业手机发送指定指令就可以控制工业手机的开启与关闭。例如发送“off”就是关闭工业手机，发送“on”就是开启工业手机，“mqjc”就是开启煤气检测的功能等。在此过程中煤气火灾报警模块/工业手机中的51单片机还会把信息传送给模块中的声光报警器实施报警，这样也可以及时通知给靠近煤气泄漏事故现场最近的人，确保万无一失。

图2是工业手机键盘功能指南。接通电源开关1并按下复位/删除重播键使工业手机处于工作状态，此时开机指示灯亮。当有检测信号从小车模块中的51单片机传来时，工业手机中的51单片机就会对信息进行处理，经过处理的信息通过自制工业手机中的GSM模块与移动网络相连接，通过移动网络把信息传送给用户手机上。此外，工业手机还能够人工拨打电话号码，实现与外界通讯。

4 机器人的创新点和应用价值

4.1 创新点

1)将传统的固定式检测装置变成移动式，大大扩展了检测空间，使机器人能够在多种不同环境下工作。

2)自制工业手机的运用，能够通过GSM模块将信号融入到移动网络中，实现信号的超远距离传送并且能给手机用户打电话或者是发送短信。

4.2 实际应用价值

1)该机器人功能强大，新颖小巧，能耗量低，性价比非常高，能用于普通老百姓的厨房中作为煤气泄漏的报警器。

2)该机器人具有强大的超远距离传送信号的能力，能用于检测煤矿井深层的煤气泄漏。

3)该机器人具有自动避障功能，能用于检测输送天然气管道泄漏。

5 结束语

本课题已经趋于成熟，当然在机器人的整个研发过程当中碰到的不少难点及困惑在所难免。主要体现在如下几点。

1)如何提高煤气传感器的灵敏度使其能够快速及时对煤气进行检测。

2)51单片机中控制程序和工业手机中远程传播程序的书写，其间必须具备相当扎实的C语言功底。

3)当机器人完全投入到工作状态时，单片机信号会和超声波的信号相互之间会发生干扰，此时信号相当不稳定，会使机器人的自动避障功能和检测功能大大降低，有时还会出现死机的情况。解决问题之后的成就感是激发我们小组人员对课题不断深入探索的不懈动力，经过我们小组成员的不断努力当然还有相关老师的大力帮助让我们把碰到的问题逐一解决。

到目前为止机器人已经取得了实质性的进展，机器人实物已经完成并且相关程序也调试完成。当初设计的相关功能已经达到预期效果，通过对机器人的现场实验演示，所有功能都得到验证。

参考文献

[1]张云伟.煤气管道检测机器人系统及其运动控制技术研究[D].上海交通大学，2007.

作者：汪峡蛟等