季华实验室智能机器人工程研究中心机器智能感知与群智控制研究组（以下简称研究组）自组建以来，在实验室和中心的支持下，注重青年科研人员的培养和使用，鼓励他们在工作中不断开拓创新。近日，以邓涛（硕士）、黄秀韦（博士）、杨鹏（博士）、牛兰（硕士）和刘振（博士）为代表的青年科技工作者的多项相关成果被国际知名期刊录用。

成果1

脑机接口——基于虚拟现实的脑控无人机集群系统

脑机接口作为一种特殊的信息交互手段，可以让大脑在不依赖于周围神经系统和肌肉的条件下，直接与外部环境进行交互，在医疗康复、科研教育和军事等领域被广泛研究与应用。此外，无人机技术在近些年取得了快速的进步，被大量应用于物资配送、航拍、测绘和救援等场景，而无人机群体又是目前无人机领域的研究热点，群体无人机系统相比于单体无人机更加健壮、灵活和易于扩展，能够帮助人们完成新的任务，比如说搜寻、探索、救援、追击等。

现有的无人机集群控制一般采用传统地面站的方式，而融合智能控制是未来集群控制的发展方向。脑机接口技术只需要通过人类意念就可实现对物体的控制，为无人机集群的控制提供一个新的思路。另外，未来的无人机集群将面对越来越高动态和高复杂性的任务，尤其是大规模集群或者是对集群的集群控制任务。对于这些任务的实现，脑机接口技术具有人脑思维对不确定问题的处理优势。

近日，研究组邓涛、霍震为共同第一作者，张立华博士、董志岩博士作为共同通讯作者撰写的题为《A VR-based BCI Interactive System for UAV Swarm Control》的学术论文被国际权威期刊Biomedical Signal Processing and Control （中科院二区，IF5.076）录用并于2023年4月在线发表。

该项工作创新性的将基于虚拟现实的脑机接口交互系统作用于无人机集群控制中，进行了脑控多无人机队形变换和脑控双机兴趣点与队形变换等多种实验，证实了BCI与集群控制融合的可行性，实现了一种新颖的与智能化的集群控制方式，为未来集群无人机的控制提出新的思路和范式，还可以提高了无人机集群的智能化水平，将在航空航天、搜救侦察等方面具有应用前景。

△系统架构图

△脑控多无人机队形变换

△脑控双机兴趣点与队形变换

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成果2

全形式无模型自适应控制——更一般化的工业控制方法

在现代控制理论中，基于模型的控制方法得到了大力推广。然而，对于复杂的工业过程，使用基于模型的控制方法存在以下几个问题：精确数学模型难以建立、复杂模型控制器设计困难以及复杂控制器难以应用等。因此，仅使用在线或离线输入/输出数据进行控制器设计的无模型自适应控制方法（MFAC）得到了广泛的应用。

迄今为止，绝大多数关于MFAC的研究都是基于紧凑形式动态线性化和部分形式动态线性化，而更一般化的MFAC方法——基于全形式动态线性化(FFDL)，重建模型中包含更多的先前输入和输出数据的，仍有待进一步研究。

研究组黄秀韦博士作为第一作者、董志岩博士作为通讯作者撰写的题为《Model-free adaptive integral sliding mode constrained control with modified prescribed performance》的学术论文被英国工程技术学会下的老牌期刊 IET Control Theory & Applications（中科院三区，IF2.67） 录取并于2023年3月在线发表。

该项工作针对离散非线性非仿射系统，通过全形式动态线性化将原系统化为离散线性反射系统，提出了一种具有改进预设性能的基于非线性扩展观测器（DESO）的数据驱动积分滑模约束控制策略。实施过程包括以下步骤：1）针对离散非线性系统，采用全形式动态线性化方法，将原系统转换为一个仿射系统；2）使用自适应算法和DESO分别估计时变参数和总扰动项；3）提出一个改进的跟踪误差收敛域；4）设计一种带有改进预设函数的积分滑模约束控制器，使用抗饱和补偿器来补偿输入饱和，使用改进预设函数来避免跟踪误差稳态的不对称偏移误差，使用积分滑模来增强鲁棒性。该算法主要用于解决复杂系统的跟踪控制问题，应用于机器人、无人机和工业生产等过程。所提方法应用于水热交换系统，控制方案的有效性和优越性得到了验证（如下图所示）。

△水热系统算法应用结果图

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成果3

新型机器人技术——作业型飞行机器人

作业型飞行机器人是一种空中具备主动作业能力的新型机器人，系统由多旋翼飞行器提供空中飞行动力，飞行器下方搭载仿人臂结构的多自由度作业机械臂，作业机械臂能有效对高空目标物体进行操作。该类机器人结合了多旋翼飞行器与作业机械臂各自功能特点，可垂直起降、悬停于指定位置，又可灵活执行各类空中作业任务，能快速到达人类与地面机器人难以接近的高空或危险复杂环境，实现与环境接触式空中作业。

△作业型双臂飞行机器人

该机器人为团队自主研发产品，拥有十余项的核心自主知识产权。突破的关键核心技术包括多自由度轻质仿生机械臂设计方法、接触性作业双机械臂力柔顺性控制方法、机械臂扰动状态下飞行器稳定控制方法、以及人机共融双机械臂协同作业远程操作技术等。杨鹏博士研究的相应研究成果《Development of an Anthropomorphic and Dexterous Dual-Arm System for Aerial Cooperative Bimanual Manipulation》等已发表在工程技术类国际SCI期刊Machines（中科院三区，IF2.899）以及RICAI 2022国际学术会议。

△项目获得第九届佛山市青年创新创业大赛一等奖

项目可应用于电力维护、工业检修、消防救援、反恐排爆、农业采摘、科研采样等领域，能实现低风险、低成本、高效率的空中作业，有效保护作业人员生命安全。该类机器人的推出并不会与现有无人机市场相竞争，将会为无人机市场打开崭新的发展方向，开拓新的市场空间。项目已获得电力企业项目合同，针对电力线路绝缘子高空检测展开应用。项目成果被广东卫视、大湾区卫视、佛山新闻网等多家媒体专题报道。项目获得第九届佛山市青年创新创业大赛一等奖，并获得了多家投资机构的投资意向。

△项目与机构签署合作协议

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成果4

脑机接口——脑机接口混合系统的动态优化时间窗口长度方法

脑机接口系统可以将脑电信号转换为计算机可识别指令直接传输信息，是一种全新的智能交互方式。虚拟现实提供了一个全新的感官体验，其交互有助于增加用户沉浸感。因此，脑机接口与虚拟现实混合系统应运而生，作为目前研究的热点，在电子游戏、康复医疗和航空航天中有很大的应用场景。

识别准确性和信息传输速率是脑机接口与虚拟现实混合系统的两个关键性能指标，而与这两个指标密切相关的参数是时间窗口数据的长度，当时间窗口值为太大时，不利于信息传输速率。同样，如果太小也会影响识别准确值。因此，如何设置合理的时间窗口值以实现识别准确性和信息传输速率之间的平衡显得十分有必要。

基于这一背景，研究组牛兰作为第一作者，康晓洋博士为通讯作者撰写了题为《A dynamically optimized time-window length for SSVEP based hybrid BCI-VR system》的学术论文，并已被国际权威期刊Biomedical Signal Processing and Control （（中科院二区，IF5.076））录用并于2023年3月在线发表。

该项工作提出了一种动态时间窗口长度优化机制，根据虚拟现实与脑机接口混合系统的在线性能动态调整时间窗口数值，该机制的引入可有效提高信息传输率与识别准确率，且还可应用于其他脑机接口系统，改项工作的实验设计与实施方案如下。

△实验总体设计图

△传统固定步长调整方法与动态时间窗长度调整方法对比

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成果5

新型电机技术——基于超声电机的传动驱动技术

超声电机与传统的电磁电机不同，超声电机无绕组和磁极，利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将材料的微观形变通过机械共振放大和摩擦耦合转换成动子/转子的宏观运动。超声电机不受电磁干扰，可以实现低速下的大力矩、大推力输出。此外，超声电机还具有重量轻、体积小、行程无限制、定位精度高等特点。

我国的超声电机研究始于20世纪90年代，经过30年的努力，由我国学者自主研发的TRUM系列超声电机性能指标已达到国际先进水平，部分产品已在核磁共振注射器、蛋壳强度检测器、三关节机械手、扫地机器人、机翼颤振试验系统、安全控制系统、跟踪监控系统、激光系统镜架姿态调整、细胞穿刺、“嫦娥三号、四号、五号”登月飞船、惯性核聚变点火工程、智能炮弹、智能导弹、“墨子号”科学卫星等中得到应用。

研究组刘振博士作为第一作者，刘振、董志岩作为共同通讯作者，于2023年2月和3月分别在国际学术期刊Ultrasonics（中科院二区，IF4.062）和Smart Materials and Structures（中科院三区，IF4.131）上发表了《Design and performance evaluation of a miniature I-shaped linear ultrasonic motor with two vibrators》和《A novel compact bolted-type piezoelectric actuator excited by two excitation methods: design, simulation, and experimental investigation》两篇学术论文。作者提出并制作出两种不同尺寸的双振子型超声电机及其移动平台，并对移动平台的机械输出特性进行了详细的分析。这两个移动平台具有断电自锁、运行无噪音、定位精度高、无磁且不受电磁干扰等特点，在精密工程、光学工程、医疗器械、武器装备及航空航天等领域有着广泛的应用前景。

△双振子型

超声电机结构图

△移动平台结构图

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来源：季华实验室