自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航安全與行為涌現(xiàn)問題研究.pdf

1、隨著智能機(jī)器人逐漸融入人類的生活和工作，人類與具有不同程度智能的自主機(jī)器人交互式工作正成為必然趨勢(shì)。但是，由于人機(jī)交互機(jī)會(huì)增多，以及機(jī)器人控制缺陷和人類的誤操作，出現(xiàn)了非常多的機(jī)器人導(dǎo)致人類受傷的案例。工業(yè)機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)修訂速度的加快，經(jīng)典導(dǎo)航方法被證實(shí)存在安全隱患，說(shuō)明安全問題是自主機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展面臨的重要問題。
　　導(dǎo)航控制是自主機(jī)器人研究的基本問題，但是由于未知環(huán)境的復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和不確定性，安全導(dǎo)航控制仍然是開放性難題。由于機(jī)

2、器人導(dǎo)航控制的安全問題是一個(gè)綜合性問題，需要從導(dǎo)航控制方法、環(huán)境感知表示方法、控制協(xié)調(diào)等多方面著手才能提高機(jī)器導(dǎo)航的安全性。本文研究自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的安全與行為涌現(xiàn)問題。以基于行為的機(jī)器人控制理論為基礎(chǔ)，以行為動(dòng)力學(xué)方法為導(dǎo)航算法，以導(dǎo)航的安全為主要研究?jī)?nèi)容，分別針對(duì)行為動(dòng)力學(xué)導(dǎo)航方法、障礙物的表示和環(huán)境感知、行為協(xié)調(diào)控制、環(huán)境存在的不可避免碰撞狀態(tài)分別進(jìn)行研究，旨在提出一種較為全面的自主移動(dòng)機(jī)器人安全解決辦法。涌現(xiàn)行為是多個(gè)基本反射

3、行為執(zhí)行序列復(fù)雜的組合，發(fā)現(xiàn)涌現(xiàn)行為是研究復(fù)雜行為安全性的前提，在研究自主機(jī)器人安全導(dǎo)航的同時(shí)，進(jìn)而討論由基本反射行為組成的導(dǎo)航行為是否存在復(fù)雜外顯的涌現(xiàn)行為，并針對(duì)一種因行為協(xié)調(diào)抖動(dòng)而形成的涌現(xiàn)行為進(jìn)行了優(yōu)化。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.經(jīng)典行為動(dòng)力學(xué)導(dǎo)航方法的改進(jìn)。行為動(dòng)力學(xué)導(dǎo)航方法是一種基于行為的機(jī)器人導(dǎo)航控制的經(jīng)典方法，在闡述基于行為的機(jī)器人設(shè)計(jì)方法時(shí)，證實(shí)經(jīng)典行為動(dòng)力學(xué)導(dǎo)航方法存在航向角吸引子在導(dǎo)航過(guò)程中隨時(shí)變化的問

4、題，當(dāng)吸引子隨時(shí)變化時(shí)，將增大控制難度，一般經(jīng)典行為動(dòng)力學(xué)導(dǎo)航方法要求機(jī)器人以較低低速運(yùn)動(dòng)，保證吸引子在導(dǎo)航中近似不變，限制了其應(yīng)用范圍。為此，提出一種航向角跟隨控制方法，可以提高行為動(dòng)力學(xué)導(dǎo)航控制機(jī)器人導(dǎo)航的線速度，并可以避免機(jī)器人的航向角在吸引子周圍抖動(dòng)，同時(shí)可以揭示航向角和線速度控制存在內(nèi)在聯(lián)系。仿真研究表明，提出的改進(jìn)方法可以保證移動(dòng)機(jī)器人達(dá)到實(shí)際需要的線速度。
　　2.障礙物描述和環(huán)境表示方法研究。障礙物描述和環(huán)境表示為

5、導(dǎo)航控制提供輸入信息，準(zhǔn)確可靠的信息輸入是導(dǎo)航安全的前提。經(jīng)典的基于位置、速度信息的障礙物描述不能保證安全導(dǎo)航的需要，在障礙物描述時(shí)應(yīng)該體現(xiàn)障礙物的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、障礙物的遮蔽區(qū)域和碰撞危險(xiǎn)程度等信息，才能更好地保證機(jī)器人在未知?jiǎng)討B(tài)環(huán)境中安全導(dǎo)航。為此，提出可感知速度障礙物描述方法，該方法包括障礙物運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和障礙物遮蔽區(qū)域描述；在此基礎(chǔ)上，提出一種接觸時(shí)間空間環(huán)境表示方法，該方法利用接觸時(shí)間表示碰撞危險(xiǎn)程度；由于傳感器感知環(huán)境存在誤差，提出一

6、種接觸時(shí)間一占據(jù)濾波減小環(huán)境感知誤差，為機(jī)器人安全導(dǎo)航提供可靠的環(huán)境描述信息。仿真研究表明，提出的環(huán)境表示方法可以有效地提高機(jī)器人導(dǎo)航的安全性。
　　3.導(dǎo)航行為協(xié)調(diào)控制研究。導(dǎo)航行為是利用基本反射行為控制機(jī)器人到達(dá)規(guī)定目標(biāo)位置過(guò)程的整體行為，導(dǎo)航行為需要在機(jī)器人導(dǎo)航過(guò)程中通過(guò)行為協(xié)調(diào)控制方法組織基本反射行為的執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜的協(xié)調(diào)控制會(huì)增大機(jī)器人的控制難度，例如出現(xiàn)類似“局部最小值”等問題。為此，提出一種學(xué)習(xí)自動(dòng)機(jī)行為協(xié)調(diào)方法，

7、通過(guò)學(xué)習(xí)決策時(shí)間控制保證行為協(xié)調(diào)的實(shí)時(shí)性，通過(guò)行為動(dòng)機(jī)控制動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)自動(dòng)機(jī)的學(xué)習(xí)速率，保證每一時(shí)刻僅有一個(gè)基本反射行為被執(zhí)行，這樣行為協(xié)調(diào)控制結(jié)果是最簡(jiǎn)單的，降低了機(jī)器人控制的難度。仿真研究表明，提出的行為協(xié)調(diào)控制方法可以有效地解決經(jīng)典行為動(dòng)力學(xué)導(dǎo)航方法中存在的航向角“偽吸引子”問題，提高了機(jī)器人的導(dǎo)航安全性。
　　4.導(dǎo)航中不可避免碰撞狀態(tài)獲取研究。在機(jī)器人導(dǎo)航過(guò)程中，存在一種無(wú)論機(jī)器人做何種控制操作，都將最終與障礙物發(fā)生碰撞

8、的狀態(tài)，即不可避免碰撞狀態(tài)。只有獲取該狀態(tài)，并增加到環(huán)境表示中才能保證機(jī)器人導(dǎo)航的安全性。為此，提出利用混合系統(tǒng)理論獲取不可避免碰撞狀態(tài)的方法，給出不可避免碰撞狀態(tài)等概念在混合系統(tǒng)理論描述的基本定義，證實(shí)不可避免碰撞狀態(tài)是混合系統(tǒng)理論中以障礙物為目標(biāo)形成的最大嚴(yán)格可達(dá)集，并利用水平集及時(shí)變哈密頓一雅克比方程的求解方法獲得不可避免碰撞狀態(tài)計(jì)算方法。仿真研究表明，提出的方法可以保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取不可避免碰撞狀態(tài)，增強(qiáng)障礙物描述，

9、使機(jī)器人導(dǎo)航更加安全。
　　5.涌現(xiàn)行為的發(fā)現(xiàn)及優(yōu)化研究。機(jī)器人在導(dǎo)航過(guò)程中與環(huán)境交互時(shí)，由于環(huán)境的復(fù)雜多變，機(jī)器人也同樣會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜多變的外顯性涌現(xiàn)行為，這種無(wú)法事先設(shè)計(jì)的行為需要在機(jī)器人導(dǎo)航時(shí)發(fā)現(xiàn)，并總結(jié)其執(zhí)行規(guī)律，保證綜合行為是安全可靠的。為此，利用遞歸圖方法定性分析機(jī)器人導(dǎo)航的航向角時(shí)間序列，證實(shí)當(dāng)每一時(shí)刻僅有簡(jiǎn)單反射行為執(zhí)行時(shí)，機(jī)器人同樣會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的涌現(xiàn)行為；提出利用預(yù)測(cè)信息更新一階白回歸方程參數(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)導(dǎo)航過(guò)程中機(jī)器人