煤礦探測(cè)機(jī)器人姿態(tài)控制與局部路徑規(guī)劃研究.pdf

1、救援機(jī)器人已經(jīng)成為災(zāi)難救援的重要設(shè)備，但大多數(shù)救援機(jī)器人仍依賴(lài)操作人員遙控。本課題研究團(tuán)隊(duì)提出了由運(yùn)載機(jī)器人和探測(cè)機(jī)器人構(gòu)建的煤礦救援機(jī)器人系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人系統(tǒng)的自主導(dǎo)航與智能控制。本文針對(duì)煤礦探測(cè)機(jī)器人在煤礦井下事故現(xiàn)場(chǎng)未知環(huán)境中的姿態(tài)控制與局部路徑規(guī)劃進(jìn)行了深入研究。
　　 首先分析了事故后的煤礦井下環(huán)境，結(jié)合煤礦探測(cè)機(jī)器人任務(wù)需求，提出了煤礦探測(cè)機(jī)器人三層分布式模塊化控制結(jié)構(gòu)。導(dǎo)航控制體系的核心決策規(guī)劃系統(tǒng)采用分布

2、式遞階結(jié)構(gòu)，各個(gè)功能分布式模塊按照機(jī)器人的行為決策過(guò)程遞階分布，各模塊間按照反應(yīng)式的行為準(zhǔn)則相互協(xié)調(diào)配合，完成探測(cè)機(jī)器人的決策與控制過(guò)程。該系統(tǒng)具有較好的自主性、實(shí)時(shí)性與開(kāi)放性，能夠滿足機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下自主控制的需求。提出將煤礦探測(cè)機(jī)器人的并聯(lián)肢體履帶式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)等效變形，消除非完整約束條件，進(jìn)而分析等效并聯(lián)機(jī)器人位姿運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法。采用這種方法將探測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等效成4—PPSR 并聯(lián)機(jī)器人，并利用旋量理論對(duì)等效并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)

3、平臺(tái)的姿態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。分析了在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型基礎(chǔ)上的機(jī)器人靜態(tài)穩(wěn)定性，得出了基于幾何分析的投影穩(wěn)定錐靜態(tài)穩(wěn)定性判定原理；通過(guò)對(duì)傾覆過(guò)程的重力勢(shì)能變化分析，得到了機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和運(yùn)行速度關(guān)系，對(duì)這兩種穩(wěn)定性的分析為煤礦探測(cè)機(jī)器人運(yùn)行姿態(tài)穩(wěn)定性控制提供了重要依據(jù)。針對(duì)煤礦探測(cè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)行為、姿態(tài)控制行為、越障行為和路徑規(guī)劃行為等四種基本行為的協(xié)調(diào)問(wèn)題，提出了基于專(zhuān)家邏輯系統(tǒng)的反應(yīng)式煤礦探測(cè)機(jī)器人行為協(xié)調(diào)器。分析了煤礦探測(cè)機(jī)器人在井下行駛

4、時(shí)針對(duì)不同路面環(huán)境的驅(qū)動(dòng)、姿態(tài)控制及越障的行為模式，重點(diǎn)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)器人姿態(tài)控制進(jìn)行了研究，提
　　出了基于模糊控制算法的煤礦探測(cè)機(jī)器人反應(yīng)式姿態(tài)控制方法，并驗(yàn)證了該方法對(duì)復(fù)雜地面環(huán)境有良好的適應(yīng)性。針對(duì)未知環(huán)境中煤礦探測(cè)機(jī)器人局部路徑規(guī)劃問(wèn)題，提出了方向?qū)?yōu)人工勢(shì)場(chǎng)滾動(dòng)窗口局部路徑規(guī)劃算法。這種方法摒棄了傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法將全局環(huán)境僅歸結(jié)為單一勢(shì)場(chǎng)力的處理思想，針對(duì)煤礦探測(cè)機(jī)器人對(duì)障礙物檢測(cè)的特點(diǎn)，提出在機(jī)器人全部可行駛方向中

5、搜索合力最大的最優(yōu)行駛方向的改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)方法，并結(jié)合滾動(dòng)窗口思想，提出了機(jī)器人反應(yīng)式路徑規(guī)劃算法。針對(duì)反應(yīng)式路徑規(guī)劃方法存在的規(guī)劃陷阱問(wèn)題，提出了煤礦探測(cè)機(jī)器人的慎思式局部路徑規(guī)劃算法。慎思規(guī)劃過(guò)程需要對(duì)機(jī)器人游歷場(chǎng)景建立局部環(huán)境地圖，為此本文提出了探測(cè)機(jī)器人游歷場(chǎng)景柵格拓?fù)涞貓D的建立方法，并利用提出的主動(dòng)生長(zhǎng)元柵格拓?fù)涞貓DVoronoi 圖分析算法對(duì)該地圖進(jìn)行可行路徑分析，可生成Voronoi 節(jié)點(diǎn)和邊構(gòu)成的無(wú)碰路徑網(wǎng)絡(luò)，利用Floy

6、d 最短路搜索方法找到逃逸目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和全局目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑。融合兩種路徑規(guī)劃算法，提出了煤礦探測(cè)機(jī)器人的反應(yīng)——慎思式的混合局部路徑規(guī)劃算法。實(shí)驗(yàn)表明該算法不僅有效解決機(jī)器人路徑規(guī)劃過(guò)程中的規(guī)劃陷阱問(wèn)題，而且對(duì)煤礦井下未知復(fù)雜環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。以課題組研發(fā)的煤礦探測(cè)機(jī)器人本體和控制系統(tǒng)為平臺(tái)，以本文提出的姿態(tài)控制算法和局部路徑規(guī)劃算法為基礎(chǔ)，借助于VC++，開(kāi)發(fā)了機(jī)器人軟件系統(tǒng)，分別在實(shí)驗(yàn)室和模擬實(shí)驗(yàn)巷道進(jìn)行了行駛實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明