移動(dòng)機(jī)器人原型的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與環(huán)境建模研究.pdf

1、本論文來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金支持的“未知環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制的理論與方法研究”(項(xiàng)目號(hào)：60234030)。作為該項(xiàng)目研究的一部分，本論文研究目標(biāo)是提供一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的原型系統(tǒng)，為開(kāi)展移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制研究提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。移動(dòng)機(jī)器人原型系統(tǒng)是各種移動(dòng)機(jī)器人的抽象與簡(jiǎn)化，重點(diǎn)研究控制結(jié)構(gòu)與控制策略。本論文著重于以下二個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的研究： (1)在軟硬件上具有開(kāi)放性的體系結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能擴(kuò)展的基礎(chǔ)，因此本論文首先對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的體

2、系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。提出了一個(gè)智能移動(dòng)機(jī)器人的分布式控制系統(tǒng)，并行異步地實(shí)現(xiàn)反應(yīng)式行為、動(dòng)態(tài)慎思式規(guī)劃與環(huán)境建模的分散智能。 (2)針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航，研究空間知識(shí)的表示方法。認(rèn)知地圖是有關(guān)大規(guī)模環(huán)境的知識(shí)表示，建立在較長(zhǎng)時(shí)間的觀察與環(huán)境信息積累基礎(chǔ)上。論文將環(huán)境空間知識(shí)的表示分為感知層與特征層，感知層采用直觀的度量表示方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息融合與導(dǎo)航支持。特征層建立在區(qū)域信息的積累上，以拓?fù)淠Ｐ蛯?duì)環(huán)境特征進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)全局的規(guī)劃決

3、策。 本論文圍繞研究的關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)展了以下幾個(gè)內(nèi)容研究：◆設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人原型控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步研究與開(kāi)發(fā)提供了開(kāi)放式的平臺(tái)支持。提出了一種基于空間知識(shí)表示分層的復(fù)合式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)導(dǎo)航控制通過(guò)反應(yīng)式行為與慎思式規(guī)劃協(xié)作完成，環(huán)境拓?fù)浣t在特征層次上實(shí)現(xiàn)空間知識(shí)的擴(kuò)展。 ◆針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤中的側(cè)向誤差鎮(zhèn)定問(wèn)題，將全局坐標(biāo)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)下的

4、跟蹤模型；應(yīng)用Backstepping方法設(shè)計(jì)控制器，獲得了滿足Lyapunov穩(wěn)定性條件的針對(duì)加速度的控制律。 ◆針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航控制，研究了一種反應(yīng)式行為與動(dòng)態(tài)慎思式規(guī)劃相結(jié)合的復(fù)合導(dǎo)航策略。基于模擬退火的局部規(guī)劃方法，設(shè)計(jì)了擾動(dòng)控制的布朗運(yùn)動(dòng)模型，采用激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)信息實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)窗口下的局部?jī)?yōu)化。通過(guò)改進(jìn)的逆向D*算法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航過(guò)程中的動(dòng)態(tài)慎思規(guī)劃，減少未知環(huán)境下全局搜索的盲目性。 ◆提出一種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中基于激光

5、雷達(dá)的感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以2-D激光雷達(dá)、精密轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)相結(jié)合的3-D地形測(cè)量與分析系統(tǒng)。針對(duì)激光雷達(dá)噪聲干擾的特點(diǎn)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)濾波器，實(shí)現(xiàn)局部地圖信息獲取與3-D地形的重建。 ◆提出一種基于近似Voronoi邊界網(wǎng)絡(luò)(ApproximateVoronoiBoundaryNetwork，AVBN)的自主環(huán)境建模方法。依賴移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中的局部區(qū)域感知信息建立環(huán)境可行區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，相對(duì)于廣義Voronoi圖方