小型移動偵察機(jī)器人的環(huán)境感知與認(rèn)知技術(shù)研究.pdf

1、在發(fā)生安全事故、恐怖襲擊、環(huán)境污染、自然災(zāi)害等公共安全事件現(xiàn)場中，經(jīng)常會遇到情況不明、人員無法接近或存在高度危險的情況，因此迫切需要研制一種能夠順利進(jìn)入復(fù)雜事故現(xiàn)場的、高機(jī)動性能偵察的移動機(jī)器人執(zhí)行現(xiàn)場的環(huán)境探測與應(yīng)急處置任務(wù)。小型移動偵察機(jī)器人可以大大減小人員傷亡，提高保障和工作效率，具有重要的社會意義和重大的經(jīng)濟(jì)價值。本文就是面向小型移動偵察機(jī)器人的應(yīng)用特點，針對小型移動偵察機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)器人環(huán)境認(rèn)知與感知能力等相關(guān)問題進(jìn)行理

2、論與實驗研究。
　　首先根據(jù)移動偵察機(jī)器人的設(shè)計要求和工作環(huán)境特性，設(shè)計并制作了一款小型移動偵察機(jī)器人。該機(jī)器人采用帶有前導(dǎo)臂的履帶結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)地面適應(yīng)能力，可以輕松通過例如沙土，碎石，磚塊，冰雪，草地等地表，并可以攀爬建筑物內(nèi)的樓梯。該機(jī)器人采用設(shè)備級，控制級和操作級三層控制體系機(jī)構(gòu)，很好地減少了各個層級之間的相互影響，提高了整個系統(tǒng)的層次性，易于開發(fā)和維護(hù)。另外在操作級設(shè)計并制作了遠(yuǎn)程控制端，作為人機(jī)交互平臺用于操作人員遠(yuǎn)程控

3、制機(jī)器人。同時搭載CCD攝像機(jī)、RGB-D攝像機(jī)、激光雷達(dá)、慣性測量單元等等多種傳感器，用于環(huán)境感知及自身姿態(tài)感知。本文所設(shè)計的小型移動偵察機(jī)器人系統(tǒng)將作為以后各章內(nèi)容的研究和實驗平臺。
　　基于環(huán)境感知的自主導(dǎo)航技術(shù)是移動機(jī)器人研究的熱點。機(jī)器人搭載測距傳感器和專業(yè)核探測儀，獲得一定的環(huán)境感知能力。針對現(xiàn)有的未知環(huán)境下自主導(dǎo)航任務(wù)中經(jīng)常出現(xiàn)的局部“陷阱”問題，提出兩種路徑規(guī)劃算法，分別為基于模糊控制的沿墻導(dǎo)航算法及基于自適應(yīng)模糊

4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)型虛目標(biāo)導(dǎo)航方法，有效解決傳統(tǒng)移動機(jī)器人導(dǎo)航策略中存在的局部陷阱問題。由于本文所設(shè)計的小型移動偵察機(jī)器人，還擔(dān)負(fù)著在核化事故現(xiàn)場，探察地域受染情況及尋找放射源的關(guān)鍵任務(wù)。因此針對核事故現(xiàn)場尋找核輻射源問題，提出了基于高斯模型的機(jī)器人尋找核輻射源方法。
　　針對基于視覺特征的機(jī)器人自定位與環(huán)境建模問題:(1)為了實現(xiàn)機(jī)器人對環(huán)境的邏輯定位，提出了基于圖像底層特征分類的場景識別算法與基于SURF特征的語義分析模型兩種算法

5、，可用于人機(jī)交互下的機(jī)器人自主行為規(guī)劃;(2)針對同步地圖構(gòu)建問題，提出基于單RGB-D攝像機(jī)的實時3DSLAM算法，利用圖像特征與三維點云的映射關(guān)系計算6自由度(6-DOF)真實世界坐標(biāo)參考點，減少數(shù)據(jù)計算量，提高了三維地圖建模速度與精度。
　　模仿人類大腦的智力發(fā)育過程，使機(jī)器人具有認(rèn)知思維是機(jī)器人技術(shù)的最新研究方向。根據(jù)現(xiàn)有認(rèn)知科學(xué)研究基礎(chǔ)，基于仿人腦認(rèn)知思想，進(jìn)行基于自主發(fā)育神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人環(huán)境認(rèn)知能力研究，使得機(jī)器人具有

6、認(rèn)知模塊及自主發(fā)育能力:(1)在對自主發(fā)育神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、LCA學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將發(fā)育模型應(yīng)用到機(jī)器人上，實現(xiàn)了機(jī)器人對自己“所見”的學(xué)習(xí)、理解和成長，機(jī)器人能夠利用類人思維進(jìn)行環(huán)境認(rèn)知，室外自主導(dǎo)航及執(zhí)行自主爬樓任務(wù)。(2)在普通自主發(fā)育的基礎(chǔ)上，提出了基于單胺類神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)發(fā)育算法，利用多巴胺(Dopamine)與5-羥色胺(Serotonin)這兩種在腦內(nèi)控制多種生理功能的單胺類神經(jīng)遞質(zhì)理論，實現(xiàn)神經(jīng)調(diào)節(jié)作用，減少所需神經(jīng)