动态环境下移动机器人自主规划方法研究

动态环境下的自主规划方法是移动机器人研究的重要方向之一。如何将机器人自身的本体（动力学）能力、以及周边动态环境作为优化行为产生的约束，并提高优化过程的实时性，是目前有待深入研究的主要问题。针对这两方面问题，本文提出了三种新的自主规划方法，旨在逐步实现在具有本体动力学和动态环境约束情况下的优化算法实时性与最优性的统一。 首先，针对基于进化计算（EA）方法解决动态路径规划问题中的实时性问题以及人工势场（AP）法的优化和局部极小问题，提出了用AP引导EA的搜索方法（APEA）。该方法把人工势场与EA搜索相结合，在传统EA中加入势场作为引导，使搜索沿着势场方向进行，从而得到一条相对于搜索区域的次优轨迹。APEA方法借鉴了AP的快速性和EA的优化性，改善了单纯EA法盲目搜索的缺陷，提高了收敛率和实时性。通过仿真对APEA和单纯EA两种搜索方法的性能进行了比较，结果表明APEA方法在处理动态多障碍物问题时相对单纯EA方法具有实时、高效、收敛的特点，同时在很大程度上解决了单纯AP方法在解决多障碍物问题时的局部极小问题。 其次，为弥补APEA方法的次最优性以及进一步提高算法的实时性，本文提出了相对速度坐标系下基于混合整数线性规划（MILP）的最优轨迹产生方法。在相对速度坐标系下，把动态环境下机器人路径规划这一非线性问题，描述成满足一组线性约束同时使目标函数极小的线性规划问题，嵌入基于MILP的规划器，从而得到一条满足性能要求的最优路径。仿真结果验证了算法的实用性及有效性，与势场引导进化计算方法相比较表明，该方法的优化程度更高、实时性更好。 第三，基于认知仿生的研究成果，将人基于知识经验的优化决策机制引入到机器人的轨迹规划中来，提出了基于离线训练知识库、在线智能发育以及利用知识引导优化的移动机器人自主智能发育方法。给出了复杂环境下移动机器人路径规划问题的自主智能发育模型。介绍了基于递增分层判别回归（IHDR）知识表达、存储、积累、更新机制，以及用于轨迹规划问题时的离线训练、在线知识更新以及知识检索过程，同时提出了性能评价指标，从而形成一套完整的面向轨迹规划的自主智能发育机制。对于一个新的机器人本体，通过对其路径规划技能的离线训练，使这种知识存储于IHDR内，从而产生一定的自主路径规划能力。当机器人需要完成某种规划任务时，根据外部环境以及自身状态的不同，在其内部知识库中检索到最匹配的状态，与之对应的行为作为被选行为，通过一定的评价指标进行评价：若达到一定的满意度，机器人即采用该行为；若不能达到评价指标的要求，则需要通过重新学习，对知识库进行更新补充，以达到对新情况的很好应对。 最后，利用上述自主智能发育模型从直接规划和间接规划两方面对动态环境中移动机器人的路径规划问题进行研究，并对于不同的规划目的提出了不同的自主规划模型和评价机制。所谓直接规划是指利用知识库检索直接得出机器人的具体行为，作为规划结果指导机器人前进；间接规划则是将检索结果作为一种优化指导，从而减小最优规划算法（如进化算法、线性规划等方法）的搜索空间，降低计算量，从而达到在线计算的目的。仿真结果验证了两种方法的有效性，并说明了这种自主智能发育模型具有很强的自适应、自学习能力。

基于真实地形场景的移动机器人运动仿真研究

月球探测对于我国有着长远的战略意义，移动机器人将在我国“二”期月球探测计划中发挥举足轻重的作用。因为月面环境恶劣、机器人自主性有限，所以基于虚拟现实的遥操作技术将在月球探测任务中发挥重要作用。它给操作者提供一种三维的、逼真的和可交互的机器人仿真平台。在此平台上，操作者可以借助科学家的智能来解决月球探测机器人自主和遥操作的结合问题，可以验证路径规划、机械臂运动规划及控制指令等。 本文分析了月球探测机器人和真实三维地形几何拓扑信息的交互过程，借助基于虚拟现实的遥操作技术，开发了基于真实地形场景的移动机器人运动仿真平台。在此平台上，运动仿真反应了机器人真实的运动状态。 首先通过对真实地形三维点云的三角剖分和纹理影射，我们得到了真实三维地形场景。然后借助OpenGL软件库和Solidworks软件我们对月球探测机器人进行了精确的几何建模。 本文在分析国内外星球探测机器人仿真系统基础上，提出了一种轮式移动机器人轮子与地形几何拓扑信息交互的方法，此方法解释了地形变化如何影响到机器人姿态的变化。通过在虚拟地形上实验和分析机器人状态数据，证明了此方法的合理性。 本文还推导了六轮移动机器人的运动学模型，确定了机器人车体位姿及其变化与轮子接地点位姿及其变化之间的关系，为机器人如何调整姿态以适应变化的三维崎岖地形提供了理论基础。并利用速度投影法，得到了轮式移动机器人运动学模型新的形式。 最后结合运动学模型和几何模型，我们在Windows平台上利用VC++OpenGL 开发了基于真实地形场景的星球探测机器仿真系统，实现了月球探测机器人的实时仿真。该系统具有较强的交互性和实时性，为星球探测机器人虚拟导航、路径验证、遥操作等提供了验证平台。

便携式移动机器人INS/GPS组合导航系统研究

基于捷联惯导系统（INS）与全球定位系统（GPS）定位技术的发展以及机器人导航的需要，本文对INS与GPS的组合导航系统进行了研究。捷联惯导系统与GPS导航各有优缺点，具有互补性，文中将两者结合形成了更加准确可靠的定位系统。本文首先介绍了捷联惯导系统和全球定位系统，并对捷联惯导和GPS的误差作了详细的分析，建立了误差模型。文中应用动力学误差方程建立了九状态INS/GPS综合卡尔曼滤波方程。提出了一种以位置、速度、姿态DCM的误差为状态量，以GPS和INS的位置差作为观测量的INS/GPS组合导航系统的滤波算法，并将该技术应用于机器人的定位导航。仿真实验表明，该算法可有效提高系统导航参数的估计精度。本文分五章对该课题进行了研究。第一章是引言，介绍了课题的研究背景、意义，国内外的研究现状和本文的主要工作；第二章介绍了惯性传感器和GPS接收器的原理和特性；第三章介绍了捷联惯导系统相关的理论知识，包括姿态角的解算，算法具体内容和误差分析，并对捷联惯导系统进行了仿真试验；第四章介绍了Kalman滤波的相关知识并详细介绍了INS/GPS组合导航系统；第五章对INS/GPS组合导航系统的九状态卡尔曼滤波算法进行了仿真，并对试验结果进行了详细的分析。从仿真结果可知，组合导航系统大大的提高了系统的精度，克服了纯惯导系统的缺点。

多轮腿复合移动机器人控制系统的设计与实现

轮腿复合移动机器人是具有高机动高通过能力、感知能力和自主行为能力的地面移动系统，它能搭载多种载荷，进行快速机动部署，可遥控、半自主、甚至全自主地完成使命。研究轮腿复合移动机器人的根本意义在于其可以在超出人类承受极限的复杂和危险环境中代替人类完成目标作业任务。 本文针对移动机器人的运动控制进行了详细的论述，主要内容包括(1)机器人机构尺寸综合；(2)轮腿复合移动机器人的运动特性分析；(3)远程监控系统的设计；(4)机器人控制系统的设计。 通过分析轮腿复合移动机构运动机理，给出了移动机器人的机构尺寸综合。在移动机器人的运动特性方面，提出了构型在线优化、轮腿运动协调控制算法，并在实验样机对上述优化算法和控制算法进行了实验验证，实验结果表明，构型优化算法和轮腿协调算法在机器人通过典型地形障碍物时是有效的。在远程监控系统分析设计中，对控制系统的远程遥控端硬件搭建及软件设计过程进行了详细的阐述。在机器人控制系统的研究方面，首先介绍了系统的硬件组成；其次依据机器人系统的功能要求，提出选用QNX实时多任务操作系统作为控制系统的操作系统，并对其特性进行了详细的论述；最后在实时多任务操作系统下完成了控制系统的软件设计。 本论文的研究为多轮腿移动机器人的系统设计和研发提供了理论依据和技术支持。

移动机器人运动控制研究

如果将机器人看作是一种能够扩展人类工作能力的有效工具，那么人类在认识和改造世界的过程中就不能没有机器人。移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发展方向，因此对移动机器人运动控制的研究，一直都得到学者们的普遍关注。本文针对近年来在移动机器人运动控制方面的两大研究热点问题----非完整约束轮式移动机器人的控制问题和多机器人协调运动问题----基于仿生策略，分别进行了系统而深入的研究。前者因系统存在非完整运动约束，而使其运动控制问题具有极大的挑战性，而后者则由于问题本身的复杂性、不确定性，从而给问题的求解带来困难。主要研究结果如下：1. 针对一类非完整约束轮式移动机器人，本文从仿人驾车思想出发，提出了一种基于人工场进行导向与控制的非连续位姿镇定新方法。该方法不仅考虑到系统动力学参数变化及扰动影响，而且还兼顾实际系统速度和输出力矩的饱和限制，其扩展后的控制律既可实现平面内任意点-点镇定，还可在仅知期望位姿的情况下，实现任意轨迹和路径的跟踪。控制器不仅设计简单、鲁棒性强、收敛速度快，而且基于人工场的控制思想，对所有轮式移动机器人控制器的设计，都具有指导意义，因而具有一定的普遍性。2. 基于仿人理性决策原则，本文通过对传统遗传算法进行改造，提出进化含义更丰富、能够增强对极值搜索的进化算法----理性遗传算法。它将种群内部对知识与经验的继承和学习，更有效地结合在遗传算法之中，有效地降低了原有随机遗传操作在进化过程中存在操作错误，并很好地体现了自然进化过程中确定性与随机性对立统一的辨证思想。理论分析和仿真实验结果，验证了算法的合理性和有效性。3. 针对确知环境下的多机器人协调运动行为优化问题，本文提出基于理性遗传算法的协调运动行为合成与优化的方法。通过对算法及其实际实现效果的分析，说明理性遗传算法的应用，增加了算法的完备性，路径规划与运动合成相分离的思想，有效地降低了规划算法的时间复杂度，而神经网络函数逼近技术的应用，克服了机器人运动行为表达的困难。4. 针对不确知环境下的多机器人协调运动问题，本文基于仿生行为决策规则及仿生行为协调策略，提出一种新的多机器人协调运动行为综合算法。该算法的实现是建立在如下的认知基础之上，即生物系统的优化反应机制和运动行为的可分解性。它为此类问题的解决提供了一个新的思路。理论分析和仿真实验结果的一致性，使算法的有效性和合理性得到了证明。

基于栅格地图的多化学羽流源定位

本文研究了移动机器人在湍流环境中定位多个化学羽流源的问题。利用粒子随机行走方法建立动态羽流模型。在此环境中机器人进行梳状搜索并采集羽流数据,使用一种基于后验概率独立假设的改进贝叶斯算法融合这些传感器数据建立一张羽流源位置的概率地图,地图中具有高概率值的栅格指出了羽流源可能的位置。仿真结果说明了该方法的有效性,通过与标准贝叶斯算法的比较说明了该方法优点。

自主移动机器人能源问题研究

具有自主能力是移动机器人科学技术的发展趋势，能量自主获取和管理问题无疑是自主移动机器人发展的重要技术环节。本论文以移动机器人能量自主获取和管理科学问题为研究背景，重点开展了面向海洋的自主载体能量自补给理论方法研究和面向陆地的自主移动机器人能量管理方法研究。 自主移动机器人能源问题目前尚处于研究阶段。本论文开展的面向海洋的自主载体能量自补给理论方法研究能源问题研究，突破了海洋波浪能沿袭的使用方式和获取方式，创造性地提出将海洋波浪能通过惯性摆结构实现机械能转换，为水中自主移动机器人的能量补给提供了新的技术方法。这对于水中自主移动机器人获得新型、高效和长久能源形式，突破当前制约水中自主移动机器人的条件，进行长时间大航程的作业，更有效地从事海洋开发和军事目的具有非常深远的意义。 本论文开展的针对陆地自主移动机器人的自主能量管理研究，以车载电池能源为研究对象，依据能耗理论，进行了电池剩余能量估计和能量最优调度理论方法和实验研究。这对于自主移动机器人的能量管理，对自主作业机器人的生存和安全、作业能力准确实时的估计和任务规划无疑具有重要意义。 本课题主要研究内容： 首先，本文研究了基于惯性摆获取海洋波浪能机理的可行性。本文对此的研究从理论和实验两个方面进行。 理论分析研究：基于惯性摆的自由激励状态下的能量吸收与转换理论；海洋波浪的动力学分析及水中人工载体受力运动学分析；基于惯性摆结构的海洋波浪能获取可行性和效率仿真和实验研究；影响波浪能大小的，与系统相关的因素；根据装置的设计，给出了系统的物理模型；通过仿真分析了惯性摆的运动状况并且给出了系统的效率计算结果。 实验方面的研究包括实验样机的设计，制作和验证实验。通过对两种设计方案的比较，给出了较优的方案并制作了样机。验证实验是使用模拟波浪力，研究水平和垂荡情况下，惯性摆的运动状况。另外，介绍了电能的后续处理。 其次，本文研究了自主移动机器人的能量管理。这一研究包括三个方面：电池剩余能量的成组估计，机器人能耗估计，机器人能量自主决策。 电池组剩余能量（SOC）估计：通过对原有单体电池模型的分析和实验研究提出了电池成组模型；研究了广义卡尔曼滤波和最小二乘构成序贯模式用于电池组SOC估计；设计实验方案，并通过动态和静态实验验证了电池SOC成组估计方法的准确性；对影响实验的一些因素进行了探讨。 机器人能耗估计：使用机理分析和实验建模两种方法相结合，提出了自主移动机器人基于行为的能耗估计模型；提出了使用小样本估计方法用于自主移动机器人的能耗估计；对于小样本数量的选取，参数辨识方法进行了研究；通过简单路况下的实验对机器人能耗估计思想和方法进行了验证。 机器人能量自主决策：给出了自主移动机器人能量自主决策系统的基本功能——预先规划能量分配，实时监控和最小能耗管理，并较为详细地阐述每个功能的实现机理。 最后，在剩余能量估计，能耗估计，能量自主决策研究基础上，本文提出了自主移动机器人能量管理系统并对其机理进行了阐述。 关键词 自主移动机器人；海洋波浪能；惯性摆；SOC；能耗估计

基于实时障碍物预测的机器人运动规划

本文给出了移动机器人的虚力导航和运动规划系统．这种方法结合最小方差估计算法（ＬＭ ＳＥ）能有效地对机器人进行实时导航和避撞．在预测过程中，根据导航的不同阶段和预测误差的变化情况，采用Ｆｕｚｚｙ 规则动态地调整误差函数中的权重，使预测过程尽可能准确．导航算法的基本思想是首先通过预测算法来获得移动机器人的运动信息，然后虚力系统根据预测信息决定机器人的未来运动，仿真结果表明该方法实时性好，能准确躲避障碍物并且到达目标点

自主移动机器人激光全局定位系统研究

本文介绍了我们研制开发的一种用于自主移动机器人的激光全局定位系统 ,重点描述了该系统的硬件结构和工作原理 ,介绍分析了定位算法 .文章最后介绍了该定位系统在实验室条件下所进行的实验 .实验结果表明 :该系统具有较高的定位精度和抗干扰能力 ,是自主移动机器人理想的定位工具 .

一种基于视觉的移动机器人定位系统

具有自主的全局定位能力是自主式移动机器人传感器系统的一项重要功能 .为了实现这个目的 ,国内外均在不断地研究发展各种定位传感器系统 .这里介绍了一种采用光学原理的全方位位置传感器系统 .该传感器系统由主动式路标、视觉传感器、图象采集与数据处理系统组成 .其视觉传感器和数据处理系统可安装在移动机器人上 ,然后可通过观测路标和视角定位的方法 ,计算出机器人在世界坐标系中的位置和方向 .实验证明 ,该系统可以实现机器人的在线定位 ,其采样速率和精度能够满足实用要求 .

多移动机器人合作系统中的单机控制体系结构研究

随着机器人技术的不断发展，出现了合作多移动机器人系统这一新的研究和应用领域，随之而来的是对机器人控制体系的新的要求．本文分析了合作多移动机器人系统对单机控制体系结构的要求，并以此为背景，在比较两种典型的智能机器人体系结构的基础上，提出一种混合分层的体系结构

像平面与空间平面的变换及其在移动机器人中的应用

说明了像平面与空间平面的变换以及摄像机在固定，旋转和平移时变换矩阵的求解方法．还讨论了该变换在移动机器人定位，障碍物检测，运动参数分析和三维坐标计算上的应用。

“勇士号”遥控移动式作业机器人

介绍了863智能机器人型号之一──以核工业为应用背景的“勇士号”遥控移动式机器人的作业内容及其主要功能指标，分析了该型号的总体设计思想，同时概括总结了其操作性能、移动性能及计算机系统等方面的技术特点。

遥控作业移动机器人环境建模方法研究

本文介绍了用于遥控机器人作业虚拟环境生成的建模方法．重点研究了基于人机交互的双目立体视觉和多视点建模方法，以克服视觉自动建模方法计算复杂、鲁棒性差的缺点．给出了环境建模的实验系统和实验结果。

移动机器人人机互助行走监控方法研究及其实际应用

由于行走监控在移动机器人技术中的独特地位和作用，使得其问题解决路线与最终性能极大地影响着构成系统的实用性及用户接受程度．本文通过剖析行走监控同其他模块的内在联系，深入地讨论了研究此问题的必要性和困难所在．最后，结合一个实际应用系统，给出了行之有效的指导思想、实现策略和关键问题解决途径。