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潜心专研,为中国机器人事业添砖加瓦


发布日期:2015-10-13 浏览数:

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   胡凌燕,博士,教授。2011年南昌大学与加拿大Carleton University 联合培养博士毕业,获工学博士学位。2014-2015年加拿大University of Calgary 博士后。研究方向是网络机器人控制,触觉控制。主持多个国家自然科学基金及作为核心成员参与国家863计划项目。申请人累计已发表和录用论文30 多篇,其中在《Robotica》《IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement》等重要国际期刊上已发表SCI检索期刊论文5篇,EI收录期刊15篇,EI中文源刊1篇。以第一申请人申请遥操作领域专利5项、获批软件著作权一项。担任《IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement 》、《Robotica》、《International Journal of Robotics and Automation》等国际重要学术期刊杂志审稿人。
   胡凌燕老师自2002年至今一直在南昌大学工作,主讲博士研究生课程《非线性系统理论》、硕士研究生课程《线性系统理论》以及本科生课程《数据结构》、《电子线路CAD》、《运动控制》等。十余年来爱岗敬业,不断提高自己的科研能力,并将科研成果融入教学过程中,培养了大批优秀的硕士生和本科生。在教学方面,获得省级教学成果二等奖一项,主持建设江西省高校双语教学示范课程一门,完成江西省教学改革课题一项,主持建设校级精品资源共享课程一门《数据结构》。
具体研究方向
   1、虚拟手术力反馈控制 
 虚拟手术训练是虚拟现实技术在医学领域的一个重要应用,对改进医学教育和训练模式具有重要作用。目前基于虚拟现实技术的交互手段大都集中在视觉和听觉。力触觉反馈的引入,可以使医务者不仅能看到手术的真实场景,而且还能感觉到手术器械与人体组织器官交互过程中的力反馈,感受肌肉、骨头等不同组织的软硬程度,大大提高了操作者的临场感。然而,力反馈的引入也给触觉交互系统的稳定性造成了很大的影响,尤其当虚拟环境为非线性、刚度系数很大时。如何使虚拟手术系统稳定且具有高逼真度,是目前虚拟现实人机交互技术中的难点问题。
我们研究的虚拟手术训练系统如下图所示。我们基于李雅普诺夫稳定性理论提出滑模自适应控制算法和基于无源理论设计了力反馈算法,以改善系统的稳定性。

 



    2、遥操作机器人控制
  目前由于各种技术水平的限制,自主工作机器人仅能在预先熟悉的环境中执行一些相对简单的任务。所以交互控制方式的主从遥操作机器人是近来发展的重点。主从遥操作机器人系统将位于远端任务现场的从机器人与主端主控机器人通过网络连接,当人控制主机器人进行一个动作时,从机器人要跟随相应动作。同时将从机器人与外界环境交互时受到环境的力传递到主端操作者手上。这样操作者能够感觉到环境的作用力,就像是人手操作作业工具直接与环境相互作用一样,是操作者具有身临其境的感觉。控制的难点在于当主从机器人之间数据传递的时延不可忽略时,力反馈的引入使得主从遥操作控制很难稳定,尤其是从机械手与刚性环境交互时。主从遥操作机械手系统如下图所示。左右两个机械手分别通过PC机控制,主从机械手之间通过网络连接。
  我们基于无源理论提出了轨迹跟踪算法改善波变量主从遥操作系统的主从跟踪性能,同时还提出了力反馈算法在不牺牲系统透明性的前提下提高系统的稳定性。


    3、网络控制巡检机器人
    随着机器人技术的发展,采用机器人代替人力进行某些危险的工作,可以将人类从恶劣危险的工作环境中解放出来。巡检是电力系统中的日常工作。无论是在核电站内还是在各种高压变电站内都迫切需要机器人代替人类进行巡检工作。
    本实验室设计的网络巡检机器人是一种可以适应复杂地形的移动平台,在其上加装不同工作场合需要的传感器及执行机构,就可以使用机器人代替人类进行一些简单而又存在风险的工作,如核电站的巡检工作,高压变电站的巡检工作等。该巡检机器人采用轮履复合结构,可以翻越台阶等障碍,同时可以上下楼梯。巡检机器人既可以自主工作,又可以通过网络控制。操作者可以在通过主控电脑远程控制机器人动作,同时巡检机器人可以将任务现场的数据和视频传送到主控平台。

胡凌燕近五年承担的科研项目:
1. 主持国家自然科学基金《复杂环境下多主从遥操作机器人网络控制方法的研究》(61563035),2016.1-2019.12,43.6万。
2. 主持国家自然科学基金《基于增强现实的主从遥操作手术机器人系统中的力反馈问题研究》(81501560),2016.1-2018.12,21.2万。
3. 国家863 计划《脑外科虚拟手术仿真与训练系统关键技术研究》(2013AA013804),2013/01-2015/12,核心参与人,负责碰撞检测与力反馈稳定控制算法子课题。295 万。
4. 国家自然基金地区基金《核电站机器人一些关键问题的研究》(51165033),2 012/01 -2015/12,50万,排名第二。
5. 主持江西省科技支撑计划项目《基于增强现实的核工业多功能遥操作巡检机器人研究》(20133BBE50029),2013.1-2015.12。
6. 主持主持江西省自然基金《基于无源理论的虚拟现实触觉交互系统力反馈稳定控制算法》(20151BAB207050),2015.1-2016.12
7. 主持江西省自然基金《刚性环境下无线工业遥操作系统控制算法的研究》(20132BAB211034),2013.1-2014,2,已结题。
8. 主持江西省自然基金《遥操作机器人的主从跟踪和力反馈算法的研究》(2010GQC157),2010年-2012年,已结题。
9. 国家自然基金《网络化控制系统及其在遥操作机器人上的应用研究》(6087020),负责遥操作控制算法研究,2008年-2011年,已结题,排名第三。
10. 主持江西省教育厅科技项目《刚性环境下网络遥操作控制算法的研究》,2013-2014,已结题。
11. 指导国家级创新创业项目《基于双轮自平衡的远程控制机器人》201210403033,已结题。
12. 指导江西省创新创业项目《能适应复杂非结构化环境的巡检机器人》20131040076,《履带式多用途灾难现场搜救机器人》2014155等,已结题。

胡凌燕教改课题与奖励:
2011-2013,结合北美教学模式改革双语教学课程-以《数据结构》试点》,省级教改。
2009-2014,主持江西省教育厅“质量工程”江西省高校双语教学示范课程《数据结构(Data Structure)》,省级。
2014年主持校级精品资源共享课程《数据结构》
2014-2015-1学期南昌大学“授课质量优秀奖”
2012年本科生优秀指导老师
2009年江西省高等学校优秀多媒体教学课件二等奖(根据赣高字[2002]73文件,享受省级教学成果二等奖),排名第一
指导的自动化系本科生毕业论文4篇获得校级优秀论文:
2013届《双轮机器人的控制系统设计》《基于WiFi的机器人远程控制系统》
2014届《适应复杂非结构地形的巡检机器人》《基于51单片机的红外遥控系统设计》
   欢迎自动化、电子及计算机专业的本科、研究生中有志于做研发的同学加入胡凌燕教授的机器人控制实验室,实现自己的专业梦想。联系方式:linyanhu78@163.com

 中文版 English

Professor Lingyan Hu, Ph. D.

Department of Automation, School of information and Engineering, Nanchang University, 999 Xuefu Road, Nanchang, Jiangxi 330031, China

Email: hulingyan@ncu.edu.cn

 

EMPLOYMENT BACKGROUND                          

2002-present Professor The department of Automation and Control Engineering, Nanchang University, China

2014.12-2015.12 Postdoctoral Fellow Department of Electrical and Computer Engineering, University of Calgary, Canada

 

RESEARCH INTEREST                                      

1. VIRTUAL SURGERY SYSTEM

    Virtual surgery technology can objectively quantify surgical performance, decrease the training period without risk to real patients. Operator can use haptic device to simulate the surgical operations on the virtual models of human tissues with virtual surgery system. When surgeon holds the manipulator to interact with the virtual human tissue, he/she can feel the interaction force between virtual surgical instrument and virtual human tissue. He can have a feeling that he is really performing operations on the patient. However force feedback is double-edged. It enhances operators’ performance. On the other hand, it causes great influence to the stability of the system, especially when the virtual models are nonlinear and have large stiffness coefficient. The ideal goals for virtual surgery system are high stability and high fidelity. Normally, it is difficult to obtain both. We have to design the controller to improve stability of the virtual surgery simulation system.

 

We have designed the controller based passive theory for the manipulator to make the system more stable when interacting with the different impedance virtual objects. The virtual surgery simulation system we built is shown as above.

Funded by the National High Technology Research and Development Program of China, The key technology research for virtual brain surgery simulation system for training. (863 Program 2013AA013804).

Professor Hu and her students got a software copyright “Collision Detection for Virtual Surgery System Based on Point Cloud Model” (2014SR110197).

 

2. TELEOPERATION SYSTEM

    Stability, trajectory tracking, transparency of force feedback are important indices to teleoperation system performances. There often exist contradictions in getting these performancesIt is a difficult problem to improve trajectory tracking together with stability and transparency for a teleoperation system with time delay and force feedback.

1) To develop a control algorithm to improve the trajectory tracking and stability of system.

2) To design a new force feedback algorithm to improve fidelity and stability.

 

   
   Funded by National Natural Science Foundation of China, Completed in Nanchang University, China and Carleton University, Canada, in 2010.

    Professor Hu got new funding from National Natural Science Foundation of China in 2016, “Research on multilateral teleoperation system in complicate environment” (61563035) and “Research on Force Feedback Problems in the Tele-surgery System Based on Virtual Reality” (81501560)

 

3. MULTIFUNCTIONAL PATROL ROBOT

The patrol robot can go upstairs and downstairs which has wheels and caterpillar. It is controlled by Arm Cortex M3(STM32F103). The patrol robot can work in the two modes. One is autonomous navigation mode, and the other is teleoperated mode (The robot is navigated by remote device or computer which is controlled by human operator). The mobile robot can be controlled by the master manipulator through wireless network which is shown as following. The measured data and video at the task environment are sent to the master side in real-time.




Professor Hu and her students got the patent “The wheels and caterpillar robot adaptive to nuclear plant” (ZL 2014 2 0081848).

Funded by the Science and Technology Department of Jiangxi Province. Multifunctional patrol robot with virtual reality technology (20133BBE50029)

 

RESEARCH FUNDING                                      

1. Funded by National Natural Science Foundation of China: Research on multilateral teleoperation system in complicate environment (61563035), Project Leader, 2016-2019.

2. Funded by National Natural Science Foundation of China: Research on Force Feedback Problems in the Tele-surgery System Based on Virtual Reality (81501560), Project Leader, 2016-2019.

3. Funded by National High Technology Research and Development Program of China (863 program): The key technology research for virtual brain surgery simulation system, (2013AA013804). Sub-project leader for designing force feedback algorithm of virtual surgery system. 2013-2015.

4. Funded by National Natural Science Foundation of China: The key problems for robot in nuclear plant. (51165033). Main contribution. 2012-2015.

5. Funded by National Natural Science Foundation of China: The network control system and its application in teleoperation system (6087020). Main contribution. 2008-2011.

6. Funded by The Science and Technology Department of Jiangxi Province: Multifunctional patrol robot with virtual reality technology (20133BBE50029). Project leader, 2013-2014.

7. Funded by Natural Science Foundation of Jiangxi Province: The force feedback algorithm for virtual reality interaction system based on passivity theory. (20151BAB207050). Project leader, 2015.1-2016.12

8. Funded by Natural Science Foundation of Jiangxi Province: The wireless teleoperation system in industrial rigid environment (20132BAB211034). Project leader, 2013-2014.

9. Funded by Natural Science Foundation of Jiangxi Province: The trajectory tracking and force feedback algorithms for telerobot (2010GQC157). Project leader, 2013-2014.

10. Funded by The Education Department of Jiangxi Province: The wireless teleoperation system in industrial rigid environment (20132BAB211034). Project leader, 2013-2014.

PUBLISHED PAPERS AND PATENTS in recent 5 years

Patents:

1胡凌燕刘小平,牛晓耕,等,能适应复杂非结构化地形的巡检机器人,2014.3,中国发明专利,201410065048.0

2. 胡凌燕徐少平,程强强,等,基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法,2014.2,中国发明专利,201410075423.x

3.胡凌燕辛勇,邹艳妮,刘小平,基于主端机的力反馈控制器设计及校正反馈力的方法,2014.2,中国发明专利,201410075986.9

4.胡凌燕,刘小平,吴昊,等,2014.3,能适应核电站等复杂非结构化环境的轮履复合型机器人,中国实用新型专利,ZL 201420081848  已授权

China Patent: Lingyan Hu, X. P. Liu, H. Peng, “The wheels and caterpillar robot adaptive to nuclear plant”(ZL 201420081848 )

5.胡凌燕,任忠杰,刘小平等,2014.5,基于点云的碰撞检测平台,计算机软件著作权,2014SR110197  已授权

China Software copyright: Collision Detection for Virtual Surgery System Based on Point Cloud Model(2014SR110197)

 

Peer-reviewed Journal Papers in recent 5 five years:

1. 胡凌燕,徐源春,徐少平,刘小平,谢志强等。基于卡尔曼滤波和LQR算法两轮巡检机器人[J].计算机工程,(已录用,拟2016.1刊出)

Lingyan Hu, Yuanchun Xu, Shaoping Xu, Xiaoping Liu, Zhiqiang Xie. Two-wheeled patrol robot based on Kalman filter and LQR, Computer engineering, 2016,1.

2. Lingyan Hu, Henry Leung, Shaoping Xuand Hua Zhang, “The controller combining positive velocity feedback with negative angle feedback for two-wheeled robot”, Cybernetics and Information Technologies, vol. 15, no. 2, pp. 159-170, 2015. (EI20152801032130)

3. Lingyan Hu, Yubin Yang, and Shaoping Xu, “Force feedback and control for wave-variable teleoperation systems with time delays”, International Journal of Robotics and Automation, vol.29, no.4, pp. 338-348, 2014. (SCI收录号:000342963800003, EI期刊:20142117734017).

4S. Xu, Lingyan Hu(通信作者), Chunquan Li, Xiaohui Yang, Xiaoping P. Liu, , “An unsupervised color-texture segmentation using two-stage fuzzy c-means algorithm”, International Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence, vol. 28, no. 2, 1455002, pp. 1-30, 2014.(SCI收录号:000337801600006EI期刊:20142117734017)

5. Lingyan Hu, X. P. Liu, G. P. Liu, and Shaoping Xu, “Trajectory tracking compensation for teleoperation with transmission delays”, Robotica, vol. 29, no. 6, pp. 863-867, 2011. (SCI收录期刊: 000295329100007, EI期刊: IP51295205)

6. Lingyan Hu, Yong Xin, Shaoping Xu, and Panlong Gao, “The teleoperator with wave impedance and environment impedance matched”, Journal of Information & Computational Science, vol. 10, no. 14, pp. 4525-4534, 2013.EI期刊: 20134316893940

7. Lingyan Hu, X. P. Liu, G. P. Liu, and Shaoping Xu, “A force feedback algorithm for the wave-variable teleoperator with high stability”, Proceedings of the 9th IEEE International Symposium on Haptic Audio Visual Environments and Games, Qinhuangdao, China, pp. 158-163, 2011.( EI期刊:20115214638632)

8. 胡凌燕万鹏,刘小平等,两轮机器人自平衡行走控制系统设计.电气传动, vol. 43, no. 12, pp. 52-55, 2013

Lingyan Hu, P. Wan, X. P. Liu, and et al. “The Balance and Speed Control System for Two-wheeled Robot,” Electric Drive, vol. 43, no. 12, pp. 52-55, 2013, (in Chinese)

9. 胡凌燕 刘国平,刘小平等.PI控制的有时延遥操作系统仿真平台的建立[J].南昌大学学报理科版, vol. 35, no. 1, pp. 28-34, 2011

Lingyan Hu, G. P. Liu. “Simulation platform for teleopearator with PI controller and time-delay,” Journal of Nanchang University (Natural Science), vol. 35, no. 1, pp. 28-34, 2011 (in Chinese)

10. 胡凌燕,刘国平,张华.线性二次指标最优调节法的倒立摆系统计算机仿真与实时控制[J].机械设计与制造, no. 1, pp. 89-91, 2010

Lingyan Hu, G. P. Liu, and X. P. Liu, “The computer simulation and real-time control for the inverted pendulum system based on Linear quadratic regulator,” Machinery design & manufacture, no. 1, pp. 89-91, 2010. (in Chinese)

11. 胡凌燕 彭杰,应启戛.工业以太网实时性评价实验平台的设计[J].低压电器, no. 9, pp. 27-30, 2008

Lingyan Hu, P. Jie, Y. Xin, and et al, “Design of Test-Bed for Rea-l Time Evaluation of Industrial Ethernet,” low-voltage apparatus, no. 9, pp. 27-30, 2008. (in Chinese)

12. J. Zhou, Y. B. Guo, and Lingyan Hu, “Detection and control of the node capture attack in WSN”, Journal of Xidian university, vol. 39, no. 1, pp. 185-190, 2012. (In Chinese)

 

Conference Papers:

1Lingyan Hu, Lei Xiao, Xiaoping Liu, and Chunsheng Yang. The Haptic Interaction in Virtual Surgery based Sliding Mode Control. The 2015 19th IEEE International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design (CSCWD 2015). May 6-8, 2015, Calabria, Italy. (Inspec 15418273)

2. Lingyan Hu, Yong Xin, Yanni Zou, Chunquan Li and Shaoping Xu. Professional Course Reforms According North American University Teaching, Advanced Materials Research, 2014,1, pp. 1684-1687. (EI: 20141117443559)

3. Lingyan Hu, G. P. Liu, and X. P. Liu, “The wave-variable teleoperator with improved trajectory tracking,” 8th IEEE International Conference on Control and Automation, pp. 322-327, Xiamen, 2010. (EI: 20104213298108)

4. Lingyan Hu, Guoping Liu, Xiaoping Liu, and Hua Zhang. The Computer Simulation and Real-time Stabilization Control for the Inverted Pendulum System Based on LQR. 5th International Conference on Natural Computation. Tian Jin, 2009: 438~442. (EI: 20101512843807)

  

 

 


 


 

3、网络控制巡检机器人
   随着机器人技术的发展,采用机器人代替人力进行某些危险的工作,可以将人类从恶劣危险的工作环境中解放出来。巡检是电力系统中的日常工作。无论是在核电站内还是在各种高压变电站内都迫切需要机器人代替人类进行巡检工作。
   本实验室设计的网络巡检机器人是一种可以适应复杂地形的移动平台,在其上加装不同工作场合需要的传感器及执行机构,就可以使用机器人代替人类进行一些简单而又存在风险的工作,如核电站的巡检工作,高压变电站的巡检工作等。该巡检机器人采用轮履复合结构,可以翻越台阶等障碍,同时可以上下楼梯。巡检机器人既可以自主工作,又可以通过网络控制。操作者可以在通过主控电脑远程控制机器人动作,同时巡检机器人可以将任务现场的数据和视频传送到主控平台。


 


 

胡凌燕近五年承担的科研项目:
1.主持国家自然科学基金《复杂环境下多主从遥操作机器人网络控制方法的研究》(61563035),2016.1-2019.12,43.6万。
2.主持国家自然科学基金《基于增强现实的主从遥操作手术机器人系统中的力反馈问题研究》(81501560),2016.1-2018.12,21.2万。
3.国家863 计划《脑外科虚拟手术仿真与训练系统关键技术研究》(2013AA013804),2013/01-2015/12,核心参与人,负责碰撞检测与力反馈稳定控制算法子课题。295 万。
4.国家自然基金地区基金《核电站机器人一些关键问题的研究》(51165033),2 012/01 -2015/12,50万,排名第二。
5.主持江西省科技支撑计划项目《基于增强现实的核工业多功能遥操作巡检机器人研究》(20133BBE50029),2013.1-2015.12。
6.主持主持江西省自然基金《基于无源理论的虚拟现实触觉交互系统力反馈稳定控制算法》(20151BAB207050),2015.1-2016.12
7.主持江西省自然基金《刚性环境下无线工业遥操作系统控制算法的研究》(20132BAB211034),2013.1-2014,2,已结题。
8.主持江西省自然基金《遥操作机器人的主从跟踪和力反馈算法的研究》(2010GQC157),2010年-2012年,已结题。
9.国家自然基金《网络化控制系统及其在遥操作机器人上的应用研究》(6087020),负责遥操作控制算法研究,2008年-2011年,已结题,排名第三。
10.主持江西省教育厅科技项目《刚性环境下网络遥操作控制算法的研究》,2013-2014,已结题。
11.指导国家级创新创业项目《基于双轮自平衡的远程控制机器人》201210403033,已结题。
12.指导江西省创新创业项目《能适应复杂非结构化环境的巡检机器人》20131040076,《履带式多用途灾难现场搜救机器人》2014155等,已结题。

 

胡凌燕教改课题与奖励:
2011-2013,结合北美教学模式改革双语教学课程-以《数据结构》试点》,省级教改。
2009-2014,主持江西省教育厅“质量工程”江西省高校双语教学示范课程《数据结构(Data Structure)》,省级。
2014年主持校级精品资源共享课程《数据结构》
2014-2015-1学期南昌大学“授课质量优秀奖”
2012年本科生优秀指导老师
2009年江西省高等学校优秀多媒体教学课件二等奖(根据赣高字[2002]73文件,享受省级教学成果二等奖),排名第一
指导的自动化系本科生毕业论文4篇获得校级优秀论文:
2013届《双轮机器人的控制系统设计》《基于WiFi的机器人远程控制系统》
2014届《适应复杂非结构地形的巡检机器人》《基于51单片机的红外遥控系统设计》
   欢迎自动化、电子及计算机专业的本科、研究生中有志于做研发的同学加入胡凌燕教授的机器人控制实验室,实现自己的专业梦想。联系方式:linyanhu78@163.com

 


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