上海交通大学国家自然基金申请成功的申请书样本

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1、申请代码： F030103受理部门： 收件日期：受理编号：解 除 保 护国家自然科学基金申 请 书资助类别：面上项目亚类说明：自由申请项目附注说明： 项目名称：视觉反馈的非完整控制系统镇定申 请 者：乔力 电话： 021-64310000 依托单位：上海交通大学 通讯地址：上海市徐汇区 邮政编码：200031 单位电话：021-62932574 电子邮件： 申报日期： 2004 年 3 月 10 日国家自然科学基金委员会 国家自然科学基金申请书第 2 页 版本 1.029.231基本信息 1UT1hHnD姓名 乔 力 性别 男 出生年月 1968 年 4 月 民族 汉族学位 博士 职称 副研究

2、员 主要研究领域非线性控制、机器人动力学与控制以及鲁棒控制 电话 021-64310000 电子邮件 传真 021-64720002 个人网页 工作单位 上海交通大学 /电气工程学院申 请 者 信 息在研项目批准号 shlgX455 名称 上 海 交 通 大 学 代 码 20003001 联系人 孙海健 电子邮件 依托单位信息电话 021-62932574 网站地址 单 位 名 称 代 码在 此 录 入 修 改 合作单位信息在 此 录 入 修 改 项目名称 视 觉 反 馈 的 非 完 整 控 制 系 统 镇 定资助类别 面上项目 亚类说明 自由申请项目 附注说明 申请代码 F030103

3、:非线性系统理论 基地类别 预计研究年限 2005 年 1 月 2007 年 12 月 研究属性 应用基础研究 项 目 基 本 信 息申请经费 22.0000 万元摘 要项目研究内容和意义简介（限 400 字）：现有的传统非完整控制系统镇定控制器设计方法大多假定环境、任务以及系统的状态估计都是已知的。实际问题并非如此，例如无人驾驶的飞行器控制、随机目标跟踪以及机器人编队等很难提前知道系统的任务和状态的直接量测信息。然而这些参量利用视觉系统是很容易得到的。近年来视觉伺服在机器人领域得到了大量应用。本项目试图利用视觉量测信息，将非完整控制系统的任务映射到视觉空间中，在视觉空间中考察这一问题。从控制

4、理论的角度，将量测和控制结合起来，研究在视觉坐标系下这类系统镇定问题的理论和方法。采用视觉伺服的优点是它可以模拟人的视觉器官、对环境实施非接触量测以及改进系统的性能等。这一项目的难点和关键问题是从三维空间到二维图象空间的未知的时变非线性变换。 该项目的成功实施，将对平面移动机器人，欠驱动机器人，水下机器人、 空间探索机器人等具有非完整约束的机械系统镇定控制性能的改善产生积极影响。关 键 词(用分号分开，最多 5 个) 非完整系统控制、视觉伺服、镇定 国家自然科学基金申请书第 3 页 版本 1.029.231项目组主要成 员 (杰 出 青 年 科 学 基 金 不 填 此 栏 )编号 姓 名 出生

5、年月 性别 职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮件 项目分工每年工作时间（月）1申 延 1972-6-10 男 博士后 博士 Michigan State University 1-517-432-2888 shenyanegr.msu.edu 控制方法和视觉伺服 3 2巨 人 1949-7-30 男 教授 学士 上海交通大学 021-64743202 juzipeish.online 控制方法 6 3见 1969-11-9 男 讲师 博士 上海交通大学 021-64663625 控制方法和信息融合 6 4毒 1976-10-28 男 讲师 硕士 上海交通大学 021-64317954

6、控制方法及实验仿真 6 5定 1976-11-4 女 讲师 硕士 上海交通大学 021-64317954 控制方法 6 6徐 1968-9-23 女 讲师 硕士 上海交通大学 021-64317954 伺服控制与实验研究 6 7在 此 录 入 修 改 8在 此 录 入 修 改 9在 此 录 入 修 改 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生8 2 4 2 说明: 1. 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报，总人数自动生成。说明: 2. 项目组主要成员不包括项目申请者。 国家自然科学基金申请书第 4 页 版本 1.029.231经费申请表 （金额单位：万元

7、）科目 申请经费 备注（计算依据与说明）一.研究经费 14.5000 1.科研业务费 8.5000 （1）测试/计算/分析费 2.0000 图象加速卡及相关软件（2）能源/动力费 （3）会议费/差旅费 4.0000 三年,3 人次国内会议,3 人次国外会议费（4）出版物/文献/信息传播费 2.5000 论文 2 万,文献检索及网络费 0.5 万（5）其它 0.0000 不可预知的费用,如临时更换配件等2.实验材料费 0.0000 （1）原材料/试剂/药品购置费 （2）其它 3.仪器设备费 1.7000 （1）购置 1.7000 摄象器材（2）试制 4.实验室改装费 2.3000 主要是地面要保

8、证一定的光滑度,便于实验.5.协作费 2.0000 部件加工及运输费二.国际合作与交流费 3.5000 1.项目组成员出国合作交流 1.5000 1 人次出国交流 1-2 个月的费用2.境外专家来华合作交流 2.0000 两人次境外专家来华合作交流的费用三.劳务费 3.0000 研究生劳务费四.管理费 1.0000 合 计 22.0000 国家其他计划资助经费 0.0000其他经费资助（含部门匹配） 0与本项目相关的 其他经费来源其他经费来源合计 0.0000 国家自然科学基金申请书第 5 页 版本 1.029.231报告正文查 看 报 告 正 文 撰 写 提 纲(一)立论依据和研究内容1.

9、项目的立项依据对系统的某一平衡点而言，系统的镇定问题是研究如何设计一个控制器使得闭环系统对包含该平衡点的某一区域中的任何初值，其运动轨迹都能渐近收敛到该平衡点。这是研究系统从一个状态精确地运动到另一状态以及系统跟踪控制问题的基础。自上世纪八十年代以来，随着机器人和自动驾驶技术的发展，迫切需要考虑受控对象与环境接触的非完整约束下的镇定控制问题。在随后的二十多年内，这一问题成了控制理论界研究的热点之一。国际上上世纪 80 年代至 90 年代中期，对非完整系统镇定控制的研究主要是针对由非完整约束方程导出的非完整运动学系统进行的，并取得了如非光滑控制器、时变控制器以及混合控制器等一大批理论结果1。由于

10、实际系统是动力学系统, 在对系统性能要求较高的情况下通常不能忽略系统的动力学部分。因此自 90年代后期国际上更加注重非完整动力学系统镇定的控制研究。通常采用速度跟踪的思想将对非完整运动学系统设计的控制律推广到非完整动力学系统，这种研究一般依赖于非完整系统的准确动力学模型2，3，4。考虑到非完整动力学系统控制研究具有很强的实际应用背景，而对实际系统一般无法建立精确模型，且不可避免地受到各种干扰的影响，必须研究不确定非完整动力学系统的有效控制方法。目前国内外在这方面的研究还刚刚起步，值得一提的是我国学者对参数不确定非完整动力学控制系统，在镇定控制方面也做出了一定的贡献5,6,7。此外，近两年来关于

11、有外界扰动和传感器噪声情况下的非完整运动学鲁棒镇定控制问题也有所论及8。然而这些设计方法大多都假定系统的环境、任务以及系统的状态都是可以直接量测的。许多实际问题并非如此，例如无人驾驶的空间探测器、随机目标跟踪以及机器人编队等,其环境、任务的复杂给系统标定、状态和目标量测带来了很大困难。但这些环境和目标参量利用视觉系统是容易描述的，在摄象机的图象平面内考察非结构环境下的、不便直接量测的系统控制问题是很直观和方便的。本项目就是试图利用视觉量测信息，从控制理论的角度，将量测和控制结合起来，研究在视觉坐标系（指摄象机坐标系或图象坐标系）下非完整控制系统镇定问题的理论和方法，为进一步从理论和实际的结合上

12、研究非完整控制系统开拓新的思路。采用视觉伺服的优点是它可以模拟人的视觉器官、对环境实施非接触量测以及便于对非结构环境和目标进行量测等。视觉伺服的一个关键问题是从三维空间到二维图象空间的未知的时变非线性变换（未知深度）,由此派生出新的视觉平面内系统的可控性、可观性以及与原系统控制性能的关系问题，这也是本项目的难点和重点。视觉伺服的概念最早产生于上世纪 70 年代末期，Hill 和 Park 将其用在闭环系统中来控制机械手的终端执行器9，然而由于当时视觉系统的采样速率很低，控制效果不太理想，正是由于这个原因，视觉伺服的发展经历了十分缓慢的 10 年。随着计算机技术的发展，自上世纪 90 年代，特别

13、是近年来，这一技术在机械手领域得到了快速发展（包括基于位置和图象的视觉伺服）10,11。在文12中，对于一类机载摄象机的平面非完整移动机器人，在假定深度和视觉系统的内外参数已知的情况下，讨论了地面线性曲率轨迹跟踪的局部镇定问题。这些成果为从视觉空间探讨一般非完整控制系统的镇定问题提供了极大的可能性。 国家自然科学基金申请书第 6 页 版本 1.029.231目前航天飞机的某些控制品质不好，据说就是因为设计控制器时没有考虑这种非完整约束特性，而视觉对这类系统又是重要的传感器。此外，装有摄象头的无人驾驶的汽车在光滑的路面上行驶时，防滑控制也是十分突出的问题。因此，将视觉和非完整系统综合起来考虑其镇

14、定问题是十分必要的。这一项目的成功实施，将对控制理论的发展产生积极的影响。同时，它也将大大地改善一类机械系统，如非完整平面移动机器人、欠驱动机器人、水下机器人以及空间机器人的控制性能。参考文献1. H.Y.Kolmanovsky and N.H. Mcclamroch. Development in Nonholonomic Control Problems. IEEE Control Systems, 1995, 5, pp. 2036.2. Kolmanovsky I and McClamroch H, Hybrid feedback laws for a class of cascade nonlinear control systems, IEEE transaction on Automatic Control, 1996,vol.41, pp.1271-1282.3. Sordalen O J and Egeland O, Exponential stabilization of nonlinear driftless control systems via time-varying homogeneous feedback,