文档介绍：中南大学
博士学位论文
移动机器人原型的控制系统设计与环境建模研究
姓名:邹小兵
申请学位级别:博士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:蔡自兴
20050401
摘要一一——』型牙急ぶ鞅だ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”钅亢牛。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。本论文着重于以下二二个关键问题的研究:谌碛布暇哂锌7判缘奶逑到峁故鞘迪只魅酥悄芾┱沟幕。虼吮韭畚氖先埘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。攵砸贫魅说牡己剑芯靠占渲J兜谋硎痉椒āH现5赝际怯泄卮蠊婺;肪的知识表示,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;应用方法设计控制器,获得了满足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,实现了一个以瓺激光雷达、精密转动云台相结合的籇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瓺地形的重建。◆提出一种基于近似呓缤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、】:图方法,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,提出了一种基于赫频腉算法。关键词:分布式控制系统、跟踪控制、复合导航策略、瓺环境感知、空间知识表示、近似呓缤纭⒁糯惴ā⒙肪豆婊珹◆
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作者签名:继导师签名之壑鱼送日期:堕年鱼月王日作者签名:垒空:垦日期:丑竺￡年—隆日原创性声明关于学位论文使用授权说明本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中南尺学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文;学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。
第一章绪论移动机器人国内外的研究历史与现状机器人技术综合了多学科的发展成果,代表了高技术的发展前沿。宋健院士曾指篺骸盎魅搜У慕胶陀τ檬兰妥远刂谱钣兴捣Φ某删停堑贝罡咭庖淖远薄V悄芤贫魅耸且焕嗄芄煌üǜ衅鞲兄;肪澈妥陨碜刺迪在有障碍物的环境中面向目标的自主运动,从而完成一定作业功能的机器人系统【】。移动机器人与其它机器人不同之处就在于强调了“移动”的特性。移动机器人不仅能够在生产、生活中起到越来越大的作用,而且还是研究复杂智能行为的产生,探索人类思维模式的有效工具与实验平台。智能移动机器人的研究近来不断引起研究人员的兴趣,不仅包括传统的控制领域,也吸引了神经学家、心理学家、生物学家们的广泛人或动物的空间行为智能在变化的环境中得以展现,并且在与环境的交互中得以进化。移动机器人比固定式的机器人缁凳具有更大的活动范围与应用领域,也面临着环境变化的种种不确定性,因此更加强调对环境的感知与应变的智能行为。可以想象,如同生命的运动创造了丰富多彩的动物世界一样,