移動服務機器人室內運動規(guī)劃研究.pdf

1、移動機器人技術的廣泛應用是20世紀全球科技領域最偉大的成就之一。隨著移動機器人技術的發(fā)展和人類社會需求的變化，移動機器人的應用逐漸從傳統(tǒng)的工業(yè)領域向服務領域拓展。近年來，越來越多的現(xiàn)代傳感技術在移動服務機器人中的廣泛應用，使得移動服務機器人在各個方面正更多地代替著人類的工作。移動服務機器人是一個多學科交叉的綜合性研究領域，其研究內容多、領域廣，主要涉及機械結構設計與優(yōu)化、傳感技術、控制技術、信息交互技術等。自主導航控制是移動服務機器人一

2、個最基本的需求，而運動規(guī)劃則是解決移動服務機器人自主導航問題的三大核心技術之一。因此，開展運動規(guī)劃的研究將對移動服務機器人的進一步發(fā)展具有重要意義。
　　 本論文面向控制學科的前沿研究方向——移動服務機器人自主導航，針對移動服務機器人在復雜多變的室內環(huán)境中運動的特點，基于多傳感器信息融合、模糊神經網絡、機器學習、圖論等基礎理論，從避障控制、完全覆蓋路徑規(guī)劃、自主歸航等方面開展運動規(guī)劃算法研究，研究提出了基于多傳感器測距數據一致性

3、檢驗的模糊神經網絡避障運動規(guī)劃算法、基于凸頂點分塊模型的完全覆蓋路徑規(guī)劃算法和基于紅外傳感器的自主歸航運動規(guī)劃算法。算法的有效性在美國Pionner3移動研究平臺及家庭智能清潔機器人平臺中的仿真實驗中得到了驗證。主要研究成果具體包括以下四個方面：
　　 ①建立了移動服務機器人運動學和動力學模型。分析了移動服務機器人在全局和局部參考坐標系中位姿的映射關系；建立了雙輪差分式移動服務機器人、導向驅動輪式移動服務機器人的運動學模型；討論

4、了移動服務機器人的機動性、自由度和完整性問題；分析了作用于移動服務機器人上的力、質量、加速度、力矩、慣量和角加速度之間的關系。
　　 ②提出了基于多傳感器測距數據一致性檢驗的模糊神經網絡避障運動規(guī)劃算法。本算法通過多傳感數據一致性檢驗的判斷準則，對超聲波傳感器所感知的障礙物與移動服務機器人之間的距離信息進行一致性檢驗，消除單一數據的不確定性。在移動服務機器人避障運動規(guī)劃中，通過提出模糊推理避障控制策略，將模糊控制的魯棒性同生理學

5、上的“感知—動作”行為相結合，為移動服務機器人在未知環(huán)境中的運動規(guī)劃提供了一種較為有效的解決思路。針對模糊控制過分依賴先驗專家知識的缺點，提出了模糊神經網絡避障控制模型與自組織動態(tài)學習算法，實現(xiàn)了避障控制規(guī)則的動態(tài)抽取，提高了運動規(guī)劃的環(huán)境變化適應性。
　　 ③提出了基于凸頂點分塊模型的完全覆蓋路徑規(guī)劃算法。本算法在分析比較Trapezoidal分塊模型和Boustrophedon分塊模型的優(yōu)缺點之后，提出了凸頂點分塊環(huán)境幾何模

6、型，該模型既能夠有效地控制分塊數目，又能夠使每個分塊的邊界趨于規(guī)范化，滿足運動規(guī)劃的完備性，便于局部完全覆蓋路徑規(guī)劃。在理論上證明凸頂點分塊拓撲圖中存在完全覆蓋最短遍歷路徑的基礎之上提出了最短遍歷路徑深度搜尋算法，該算法的結果路徑在距離和覆蓋測度上趨于更優(yōu)。
　　 ④提出了基于紅外傳感器的自主歸航運動規(guī)劃算法。本算法通過提出的基于紅外接近覺傳感器沿墻導航控制算法，實現(xiàn)移動服務機器人在不同沿墻狀態(tài)間的轉移，自主地返回到標識目標位置

7、的紅外線傳感器信標周圍；基于提出的紅外導引對接策略，達到移動服務機器人在復雜室內環(huán)境中自主歸航的目的。本規(guī)劃算法所需處理芯片和環(huán)境感知模塊成本更低，實時性更強。
　　 本文系統(tǒng)地開展了移動服務機器人室內運動規(guī)劃研究，提出了三個相關算法，仿真、實驗結果充分證明了各個算法的有效性。進一步的研究將從以下兩個方面改進移動服務機器人運動規(guī)劃算法的優(yōu)良性。①研究基于視覺傳感器的圖像處理、模式識別等技術手段改進移動服務機器人對于動態(tài)障礙物的避