Today's heavy-duty mobile machines (HDMMs) face two transitions: from diesel-hydraulic actuation to clean electric systems driven by climate goals, and from human supervision toward greater autonomy. Diesel-hydraulic systems have long dominated, so full electrification, via direct replacement or redesign, raises major technical and economic challenges. Although advanced artificial intelligence (AI) could enable higher autonomy, adoption in HDMMs is limited by strict safety requirements, and these machines still rely heavily on human supervision. This dissertation develops a control framework that (1) simplifies control design for electrified HDMMs through a generic modular approach that is energy-source independent and supports future modifications, and (2) defines hierarchical control policies that partially integrate AI while guaranteeing safety-defined performance and stability. Five research questions align with three lines of investigation: a generic robust control strategy for multi-body HDMMs with strong stability across actuation types and energy sources; control solutions that keep strict performance under uncertainty and faults while balancing robustness and responsiveness; and methods to interpret and trust black-box learning strategies so they can be integrated stably and verified against international safety standards. The framework is validated in three case studies spanning different actuators and conditions, covering heavy-duty mobile robots and robotic manipulators. Results appear in five peer-reviewed publications and one unpublished manuscript, advancing nonlinear control and robotics and supporting both transitions.


翻译:当今重型移动机械面临两大转型:一是为达成气候目标,从柴油液压驱动转向清洁电力系统;二是从人工监控转向更高程度的自主化。柴油液压系统长期占据主导地位,因此通过直接替换或重新设计实现全面电气化,带来了重大的技术与经济挑战。尽管先进的人工智能技术有望实现更高程度的自主性,但重型移动机械因其严格的安全要求而限制了人工智能的应用,这些设备目前仍高度依赖人工监控。本论文提出了一种控制框架,该框架(1)通过采用与能源类型无关、支持未来修改的通用模块化方法,简化了电气化重型移动机械的控制设计;(2)定义了分层控制策略,在部分集成人工智能的同时,保证了安全定义的性能与稳定性。五个研究问题对应三条研究主线:适用于多体重型移动机械的通用鲁棒控制策略,该策略在不同驱动类型与能源下均具有强稳定性;在不确定性与故障条件下保持严格性能、同时平衡鲁棒性与响应性的控制方案;以及解释与信任黑盒学习策略的方法,使其能够被稳定集成并符合国际安全标准的验证要求。该框架在涵盖不同执行器与工况的三个案例研究中得到验证,涉及重型移动机器人及机器人机械臂。相关成果发表于五篇同行评审论文及一篇未发表手稿,推动了非线性控制与机器人学领域的发展,并对上述两大转型提供了支持。

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