论文题目: 移动机器人原型的控制系统设计与环境建模研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 控制理论与控制工程
作者: 邹小兵
导师: 蔡自兴
关键词: 分布式控制系统,跟踪控制,复合导航策略,环境感知,空间知识表示,近似边界网络,遗传算法,路径规划
文献来源: 中南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本论文来源于国家自然科学基金支持的“未知环境中移动机器人导航控制的理论与方法研究”(项目号:60234030)。作为该项目研究的一部分,本论文研究目标是提供一个移动机器人的原型系统,为开展移动机器人导航控制研究提供实验平台。移动机器人原型系统是各种移动机器人的抽象与简化,重点研究控制结构与控制策略。本论文着重于以下二个关键问题的研究: (1) 在软硬件上具有开放性的体系结构是实现机器人智能扩展的基础,因此本论文首先对移动机器人的体系结构进行了研究。提出了一个智能移动机器人的分布式控制系统,并行异步地实现反应式行为、动态慎思式规划与环境建模的分散智能。 (2) 针对移动机器人的导航,研究空间知识的表示方法。认知地图是有关大规模环境的知识表示,建立在较长时间的观察与环境信息积累基础上。论文将环境空间知识的表示分为感知层与特征层,感知层采用直观的度量表示方法,实现实时信息融合与导航支持。特征层建立在区域信息的积累上,以拓扑模型对环境特征进行描述,实现全局的规划决策。 本论文围绕研究的关键问题,开展了以下几个内容研究: ◆ 设计并实现了一个移动机器人原型控制系统。系统采用基于网络的分布式控制结构,为进一步研究与开发提供了开放式的平台支持。提出了一种基于空间知识表示分层的复合式体系结构设计方法,移动机器人的实时导航控制通过反应式行为与慎思式规划协作完成,环境拓扑建模则在特征层次上实现空间知识的扩展。 ◆ 针对移动机器人路径跟踪中的侧向误差镇定问题,将全局坐标下的运动学模型转换为极坐标下的跟踪模型;应用Backstepping方法设计控制器,获得了满足Lyapunov稳定性条件的针对加速度的控制律。 ◆ 针对移动机器人的导航控制,研究了一种反应式行为与动态慎思式规划相结合的复合导航策略。基于模拟退火的局部规划方法,设计了扰动控制的布朗运动模型,采用激光雷达的实时信息实现滚动窗口下的局部优化。通过改进的逆向D~*算法实现导航过程中的动态慎思规划,减少未知环境下全局搜索的盲目性。 ◆ 提出一种非结构化环境中基于激光雷达的感知系统设计方法,实现了一个以2-D激光雷达、精密转动云台相结合的3-D地形测量与分析系统。针对激光雷达噪声干扰的特点设计动态自适应滤波器,实现局部地图信息获取与3-D地形的重建。 ◆ 提出一种基于近似Voronoi边界网络(Approximate Voronoi Boundary Network,AVBN)的自主环境建模方法。依赖移动机器人在未知环境中的局部区域感知信息建立环境可行区域的拓扑结构模型,相对于广义Voronoi图方法,AVBN能够以较少的网络节点反映移动机器人运行环境中可行区域的网络化结构,从而降低了路径规划的计算复杂度。最后,针对网络路径的规划问题,提出了一种基于Elitist竞争机制的GAs算法。
论文目录:
第一章 绪论
1．1 移动机器人国内外的研究历史与现状
1．1．1 移动机器人的研究历史
1．1．2 移动机器人研究的国际现状
1．1．3 移动机器人研究的国内现状
1．2 论文的课题来源与研究内容
1．3 智能系统的体系结构
1．3．1 递阶式体系结构
1．3．2 反应式体系结构
1．3．3 慎思／反应复合式体系结构
1．3．4 智能系统的实现途径
1．4 移动机器人空间知识表示方法
1．4．1 空间知识表示的分类
1．4．2 未知环境下空间知识表示的特点
1．5 论文研究的关键问题与章节安排
1．5．1 关键问题与研究思路
1．5．2 论文章节的安排
第二章 移动机器人及其控制系统体系结构
2．1 移动机构与传感器系统
2．1．1 移动机器人的移动机构
2．1．2 航迹推测传感器系统
2．1．3 环境感知传感器系统
2．2 控制系统硬件设计
2．2．1 车载分布式控制系统结构
2．2．2 通讯与监控系统
2．2．3 基于网络的开放式实验平台
2．2．4 总体性能指标
2．3 控制系统软件体系结构设计
2．3．1 智能系统复合式体系结构分析
2．3．2 基于空间知识表示的体系结构分层方法
2．3．3 软件艾真体的功能设计
2．3．4 分层次协作控制的实现
2．4 本章小节
第三章 移动机器人的运动学模型与路径跟踪控制
3．1 轮式移动机器人的运动学模型
3．2 移动机器人路径跟踪控制律设计
3．2．1 路径跟踪问题的描述
3．2．2 基于Backstepping的跟踪控制律设计
3．3 基于模糊滑模变结构的控制器综合
3．3．1 滑模变结构控制器的设计
3．3．2 控制器的综合
3．4 跟踪控制实验结果与分析
3．4．1 AmigoBot的实验效果
3．4．2 IMR01的跟踪控制
3．5 本章小节
第四章 移动机器人复合导航策略设计
4．1 移动机器人的局部规划策略
4．1．1 局部规划方法概述
4．1．2 基于模拟退火的扰动规则设计
4．1．3 局部规划程序设计
4．1．4 局部规划仿真实验
4．2 移动机器人的慎思规划策略设计
4．2．1 D~*规划的原理
4．2．2 逆向D~*算法的设计
4．2．3 慎思式规划的仿真实验
4．3 基于激光雷达感知信息的复合导航
4．3．1 反射式行为设计
4．3．2 反应式行为设计
4．3．3 移动机器人的运动控制
4．3．4 复合导航的实现
4．4 实验结果分析
4．4．1 反应式导航实验
4．4．2 慎思式规划实验
4．4．3 复合导航实验
4．5 本章小节
第五章 基于激光测距的3-D感知系统设计与实现
5．1 激光雷达的原理与性能分析
5．1．1 激光雷达的工作原理
5．1．2 激光雷达LMS291的性能
5．1．3 测距性能试验与分析
5．2 激光雷达感知系统设计
5．2．1 系统结构
5．2．2 通讯接口设计
5．2．3 测距数据的3-D变换
5．3 激光雷达干扰源分析与滤波器设计
5．3．1 激光雷达干扰源分析
5．3．2 动态自适应滤波器设计
5．3．3 高度图的平滑滤波
5．4 非结构化环境下的障碍检测与实验结果
5．4．1 非结构化环境的地形分析
5．4．2 3-D环境重建实验结果
5．4．3 非结构化环境中的障碍检测实验
5．5 本章小节
第六章 基于近似Voronoi图的环境建模与规划
6．1 移动机器人运行环境的空间表示方法
6．1．1 人与动物的空间认知
6．1．2 空间知识表示方法的分类
6．1．3 移动机器人的分层次空间知识表示
6．2 Voronoi图的介绍
6．3 近似Voronoi边界网络(AVBN)建模方法
6．3．1 AVBN的有关定义
6．3．2 AVBN模型的建立步骤
6．3．3 非凸集障碍环境下的连通性
6．3．4 基于AVBN的增量建模
6．4 基于AVBN模型与GAs的全局规划
6．4．1 基于 Elitist 竞争机制的 GAs 规则设计
6．4．2 紧缩算法优化网络路径
6．4．3 Elitist竞争机制与随机配对机制的比较分析
6．4．4 算法复杂度分析
6．5 仿真与实验
6．6 本章小结
第七章 总结与展望
7．1 本论文工作总结
7．2 进一步的研究方向
7．3 结束语
参考文献
致谢
攻读博士期间完成的学术论文和科研工作
发布时间: 2006-03-28
参考文献
- [1].社会环境的轮式移动机器人定位导航方法研究[D]. 陈伟华.华南理工大学2018
- [2].可重构多模式地面移动机器人的构型设计与性能研究[D]. 李晔卓.北京交通大学2018
- [3].特种地面移动机器人机械系统设计与分析[D]. 欧屹.南京理工大学2013
- [4].多移动机器人协作方法研究[D]. 姜健.哈尔滨工业大学2008
- [5].一种球形移动机器人的运动分析与控制技术的研究[D]. 刘大亮.北京邮电大学2009
- [6].移动机器人基于多传感器数据融合的定位及地图创建研究[D]. 庄严.大连理工大学2004
- [7].虚拟现实技术在移动机器人遥操作系统中的应用研究[D]. 葛为民.天津大学2004
- [8].基于互联网的移动机器人网络控制系统研究[D]. 孙启湲.天津大学2004
- [9].多移动机器人运动控制策略的强化学习研究[D]. 庄晓东.中国海洋大学2005
- [10].多移动机器人协调控制系统的研究与实现[D]. 程磊.华中科技大学2005
标签：分布式控制系统论文; 跟踪控制论文; 复合导航策略论文; 环境感知论文; 空间知识表示论文; 近似边界网络论文; 遗传算法论文; 路径规划论文;