煤礦井下搜救探測機器人的路徑規(guī)劃及軌跡跟蹤控制研究.pdf

1、我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國。然而，由于礦井自然條件差，高瓦斯礦井多，加上技術(shù)和管理等諸多方面不到位，以及近年來國家對煤炭資源需求量的不斷增長，使得煤礦開采中瓦斯爆炸、涌水、著火等事故頻繁發(fā)生，由此造成重大的人員傷亡事故和不良的社會影響，嚴重制約著煤炭工業(yè)的健康發(fā)展。因此，研發(fā)煤礦井下搜救探測機器人是煤礦井下發(fā)生瓦斯爆炸事故后進行搶險救援的前提手段和必要工具，它能夠在礦難原因和現(xiàn)場情況不明的情況下，替代或部分替代救援人員進入災害

2、現(xiàn)場實施環(huán)境探測和搜救任務，同時將信息實時地傳輸?shù)骄仍笓]中心，為救援決策提供科學依據(jù)，便于快速、準確地制定救援方案。因此，對煤礦安全生產(chǎn)、減少國家和人民生命財產(chǎn)的損失具有十分重要的意義。
　　 本文以煤礦井下搜救探測機器人為研究對象，在對其運動裝置進行設計分析的基礎上，圍繞移動機器人自主導航中的兩項關(guān)鍵技術(shù)——路徑規(guī)劃與軌跡跟蹤控制問題進行了深入的研究。首先對自主移動機器人研究中的關(guān)鍵技術(shù)進行了全面、系統(tǒng)的總結(jié)，重點對其中路徑

3、規(guī)劃和軌跡跟蹤控制的研究內(nèi)容、存在問題及發(fā)展趨勢等進行了綜述，歸納總結(jié)了各種算法的性能差異，并以此為基礎展開進一步的研究與探討，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 提出了一種針對煤礦井下特殊環(huán)境的運動裝置設計方案。對煤礦井下搜救探測機器人的運動系統(tǒng)、通行能力和結(jié)構(gòu)特點進行了重新設計及進一步改進，并在此基礎上，利用地面力學理論，參考履帶車輛的運動學和動力學原理，針對煤礦井下搜救探測機器人采用差動轉(zhuǎn)向的特點，建立了機器人的運動學和

4、動力學模型，為后續(xù)的煤礦井下搜救探測機器人軌跡跟蹤等控制問題的研究奠定了基礎。
　　 針對煤礦井下非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的不確定環(huán)境特征，設計了上下位機的分級控制系統(tǒng)，提出了一種分層協(xié)作規(guī)劃與控制的體系結(jié)構(gòu)?？紤]到煤礦井下搜救探測機器人特定的應用環(huán)境及要求，設計了一個主要由決策系統(tǒng)(包括上位機監(jiān)控模塊、下位機控制模塊、傳感檢測模塊等)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)等組成的控制系統(tǒng)。并在分析當前出現(xiàn)的機器人各種體系結(jié)構(gòu)的基礎上，提出了一種從上

5、到下依次分為決策層、慎思層和控制層的分層協(xié)作規(guī)劃與控制的體系結(jié)構(gòu)，能夠滿足機器人在未知環(huán)境下導航任務的復雜性與不確定性的要求。
　　 結(jié)合目前具有代表性的遺傳算法、蟻群算法這兩種優(yōu)化算法各自的特點，分別對其進行了改進。首先，設計了一種改進的遺傳算法，充分考慮到井下環(huán)境地形的高低變化，采用柵格法在三維空間中對機器人工作環(huán)境進行建模，并根據(jù)路徑長度最短且能耗最少的評價指標設計了適應度函數(shù)。
　　 按照可變長度的染色體編碼方式

6、及隨機指導式搜索策略來生成初始種群，保證初始階段無障礙路徑的產(chǎn)生，同時針對傳統(tǒng)遺傳算法中存在的“早熟現(xiàn)象”和“收斂速度慢”的問題，將交叉算子和變異算予進行優(yōu)化設計，從而使整個規(guī)劃過程變得簡單而有效。其次，本文還在最大一最小螞蟻系統(tǒng)(MMAS)的基礎上，提出了一種改進的蟻群算法，對其啟發(fā)函數(shù)、路徑選擇規(guī)則及信息素更新方式等進行改進，加快了算法收斂速度，改善了路徑規(guī)劃的性能。最后通過實驗對改進算法的性能進行了驗證。
　　 提出了一種

7、用于實現(xiàn)機器人軌跡跟蹤的模糊自適應控制器的設計方法。首先利用Lyapunov直接法設計出機器人軌跡跟蹤控制系統(tǒng)的控制器，對機器人以期望運動速度從當前位置運動到目標點的過程進行控制，并在參考線速度不為零時，利用Barbalat引理對系統(tǒng)的全局一致漸近穩(wěn)定性進行了證明。另外，在此基礎上設計了一種模糊自適應控制器，解決了模糊多變量控制系統(tǒng)中規(guī)則數(shù)隨系統(tǒng)變量數(shù)呈指數(shù)增長的問題，提高了控制器效率，且使模糊控制邏輯變得清晰明了。實驗結(jié)果證明，本文設