移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人室內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究.pdf

1、移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的廣泛應(yīng)用是20世紀(jì)全球科技領(lǐng)域最偉大的成就之一。隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和人類社會(huì)需求的變化，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用逐漸從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域向服務(wù)領(lǐng)域拓展。近年來(lái)，越來(lái)越多的現(xiàn)代傳感技術(shù)在移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人中的廣泛應(yīng)用，使得移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人在各個(gè)方面正更多地代替著人類的工作。移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合性研究領(lǐng)域，其研究?jī)?nèi)容多、領(lǐng)域廣，主要涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、信息交互技術(shù)等。自主導(dǎo)航控制是移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人一

2、個(gè)最基本的需求，而運(yùn)動(dòng)規(guī)劃則是解決移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航問(wèn)題的三大核心技術(shù)之一。因此，開(kāi)展運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究將對(duì)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。
　　 本論文面向控制學(xué)科的前沿研究方向——移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航，針對(duì)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人在復(fù)雜多變的室內(nèi)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，基于多傳感器信息融合、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖論等基礎(chǔ)理論，從避障控制、完全覆蓋路徑規(guī)劃、自主歸航等方面開(kāi)展運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法研究，研究提出了基于多傳感器測(cè)距數(shù)據(jù)一致性

3、檢驗(yàn)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法、基于凸頂點(diǎn)分塊模型的完全覆蓋路徑規(guī)劃算法和基于紅外傳感器的自主歸航運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。算法的有效性在美國(guó)Pionner3移動(dòng)研究平臺(tái)及家庭智能清潔機(jī)器人平臺(tái)中的仿真實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。主要研究成果具體包括以下四個(gè)方面：
　　 ①建立了移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。分析了移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人在全局和局部參考坐標(biāo)系中位姿的映射關(guān)系；建立了雙輪差分式移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人、導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)輪式移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；討論

4、了移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、自由度和完整性問(wèn)題；分析了作用于移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人上的力、質(zhì)量、加速度、力矩、慣量和角加速度之間的關(guān)系。
　　 ②提出了基于多傳感器測(cè)距數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。本算法通過(guò)多傳感數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)的判斷準(zhǔn)則，對(duì)超聲波傳感器所感知的障礙物與移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人之間的距離信息進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，消除單一數(shù)據(jù)的不確定性。在移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中，通過(guò)提出模糊推理避障控制策略，將模糊控制的魯棒性同生理學(xué)

5、上的“感知—?jiǎng)幼鳌毙袨橄嘟Y(jié)合，為移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人在未知環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供了一種較為有效的解決思路。針對(duì)模糊控制過(guò)分依賴先驗(yàn)專家知識(shí)的缺點(diǎn)，提出了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避障控制模型與自組織動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了避障控制規(guī)則的動(dòng)態(tài)抽取，提高了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的環(huán)境變化適應(yīng)性。
　　 ③提出了基于凸頂點(diǎn)分塊模型的完全覆蓋路徑規(guī)劃算法。本算法在分析比較Trapezoidal分塊模型和Boustrophedon分塊模型的優(yōu)缺點(diǎn)之后，提出了凸頂點(diǎn)分塊環(huán)境幾何模

6、型，該模型既能夠有效地控制分塊數(shù)目，又能夠使每個(gè)分塊的邊界趨于規(guī)范化，滿足運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的完備性，便于局部完全覆蓋路徑規(guī)劃。在理論上證明凸頂點(diǎn)分塊拓?fù)鋱D中存在完全覆蓋最短遍歷路徑的基礎(chǔ)之上提出了最短遍歷路徑深度搜尋算法，該算法的結(jié)果路徑在距離和覆蓋測(cè)度上趨于更優(yōu)。
　　 ④提出了基于紅外傳感器的自主歸航運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。本算法通過(guò)提出的基于紅外接近覺(jué)傳感器沿墻導(dǎo)航控制算法，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人在不同沿墻狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移，自主地返回到標(biāo)識(shí)目標(biāo)位置

7、的紅外線傳感器信標(biāo)周圍；基于提出的紅外導(dǎo)引對(duì)接策略，達(dá)到移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中自主歸航的目的。本規(guī)劃算法所需處理芯片和環(huán)境感知模塊成本更低，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。
　　 本文系統(tǒng)地開(kāi)展了移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人室內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究，提出了三個(gè)相關(guān)算法，仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了各個(gè)算法的有效性。進(jìn)一步的研究將從以下兩個(gè)方面改進(jìn)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法的優(yōu)良性。①研究基于視覺(jué)傳感器的圖像處理、模式識(shí)別等技術(shù)手段改進(jìn)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人對(duì)于動(dòng)態(tài)障礙物的避