移動機器人原型的控制系統設計與環(huán)境建模研究.pdf

1、本論文來源于國家自然科學基金支持的“未知環(huán)境中移動機器人導航控制的理論與方法研究”(項目號：60234030)。作為該項目研究的一部分，本論文研究目標是提供一個移動機器人的原型系統，為開展移動機器人導航控制研究提供實驗平臺。移動機器人原型系統是各種移動機器人的抽象與簡化，重點研究控制結構與控制策略。本論文著重于以下二個關鍵問題的研究： (1)在軟硬件上具有開放性的體系結構是實現機器人智能擴展的基礎，因此本論文首先對移動機器人的體

2、系結構進行了研究。提出了一個智能移動機器人的分布式控制系統，并行異步地實現反應式行為、動態(tài)慎思式規(guī)劃與環(huán)境建模的分散智能。 (2)針對移動機器人的導航，研究空間知識的表示方法。認知地圖是有關大規(guī)模環(huán)境的知識表示，建立在較長時間的觀察與環(huán)境信息積累基礎上。論文將環(huán)境空間知識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，實現實時信息融合與導航支持。特征層建立在區(qū)域信息的積累上，以拓撲模型對環(huán)境特征進行描述，實現全局的規(guī)劃決

3、策。 本論文圍繞研究的關鍵問題，開展了以下幾個內容研究：◆設計并實現了一個移動機器人原型控制系統。系統采用基于網絡的分布式控制結構，為進一步研究與開發(fā)提供了開放式的平臺支持。提出了一種基于空間知識表示分層的復合式體系結構設計方法，移動機器人的實時導航控制通過反應式行為與慎思式規(guī)劃協作完成，環(huán)境拓撲建模則在特征層次上實現空間知識的擴展。 ◆針對移動機器人路徑跟蹤中的側向誤差鎮(zhèn)定問題，將全局坐標下的運動學模型轉換為極坐標下的

4、跟蹤模型；應用Backstepping方法設計控制器，獲得了滿足Lyapunov穩(wěn)定性條件的針對加速度的控制律。 ◆針對移動機器人的導航控制，研究了一種反應式行為與動態(tài)慎思式規(guī)劃相結合的復合導航策略。基于模擬退火的局部規(guī)劃方法，設計了擾動控制的布朗運動模型，采用激光雷達的實時信息實現滾動窗口下的局部優(yōu)化。通過改進的逆向D*算法實現導航過程中的動態(tài)慎思規(guī)劃，減少未知環(huán)境下全局搜索的盲目性。 ◆提出一種非結構化環(huán)境中基于激光

5、雷達的感知系統設計方法，實現了一個以2-D激光雷達、精密轉動云臺相結合的3-D地形測量與分析系統。針對激光雷達噪聲干擾的特點設計動態(tài)自適應濾波器，實現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邊界網絡(ApproximateVoronoiBoundaryNetwork，AVBN)的自主環(huán)境建模方法。依賴移動機器人在未知環(huán)境中的局部區(qū)域感知信息建立環(huán)境可行區(qū)域的拓撲結構模型，相對于廣義Voronoi圖方