多節(jié)履帶式搜索機器人運動規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，人類對地球高強度開發(fā)所導致的負面危害也日益凸顯，各種自然災害和與人為事故給世界各國帶來了巨大損失。災難發(fā)生后，第一時間進入救援現(xiàn)場展開救援是最大程度降低損失的最關(guān)鍵因素。受到自身生理條件限制，在某些場合救援人員不能很快進入災難現(xiàn)場，因此開發(fā)應用于災難以及危險區(qū)域搜索的機器人就顯得至關(guān)重要。從上個世紀末開始，各國科學家已經(jīng)著手研究災難搜索機器人，并研制出了機器人樣機，在一些災難事故中進行了應用。但受到技術(shù)條件

2、等多方面限制，到目前為止，搜索機器人仍有許多不足，成功應用的案例幾乎沒有。在上述背景下，本文對一種多節(jié)履帶式搜索機器人地面作用力學模型、運動軌跡控制方法、自動越障規(guī)劃、定位與地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃等一些運動規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)進行研究，以期在科學性和功能性上推動災難搜索機器人的研究進展。
　　由于多節(jié)履帶式機器人是一種非完整約束的移動機器人，采用增加虛擬構(gòu)件并結(jié)合D-H參數(shù)的方法建立機器人的平面運動學模型，并對相應的速度雅克比矩陣進行求解。在

3、履帶與地面作用計算力學基礎上，建立單節(jié)履帶與地面作用模型。然后在考慮鉸接關(guān)節(jié)作用力的情況下，建立多節(jié)履帶式機器人的平面動力學方程。
　　以機器人平面運動學為基礎，提出一種基于李雅普諾夫函數(shù)的運動軌跡控制方法。針對機器人運動中的滑移參數(shù)不確定問題，提出一種基于滑模觀測器的滑移率和滑移角估計方法，并將非支配分類粒子群方法用于滑模觀測器的增益優(yōu)化，提高估計精度。通過圓軌跡跟蹤的仿真實驗與半圓軌跡跟蹤的實驗證明方法的有效性。
　　依

4、據(jù) MTSR-HIT機器人結(jié)構(gòu)，建立其翻越垂直障礙的運動學模型，并對其越障能力進行分析。同時設計一種基于嵌套人工魚群算法的機器人自動雙節(jié)越障規(guī)劃方法，使得機器人能夠根據(jù)垂直障礙物的高度解算出每一步驟中相應的關(guān)節(jié)角度值，使之滿足整個過程中所有關(guān)節(jié)角度值的變化量最小這一能量消耗最優(yōu)指標。此外，又利用弗格森樣條對各關(guān)節(jié)角度進行軌跡平滑，并通過實驗進行驗證。
　　針對災難后環(huán)境的不確定性，提出一種基于多超聲波傳感器的地圖構(gòu)建方法。首先建立

5、單個超聲波傳感器的三區(qū)域柵格模型，然后對需要融合的證據(jù)進行近似處理，再利用D-S證據(jù)理論（Dempster-Shafter evidence theory）進行融合，消除反直覺現(xiàn)象，從而實現(xiàn)對未知環(huán)境的地圖構(gòu)建。為了準確獲取機器人的位置信息，提出一種基于改進粒子濾波器的移動機器人同步定位與地圖構(gòu)建(SLAM，Simultaneous Localization And Mapping)方法，通過人工魚群算法對機器人的位置進行二次更新，并利

6、用定向重采樣的思想解決粒子退化問題，提高定位與地圖構(gòu)建的精度。
　　為了使機器人快速進入目標區(qū)域，提出一種基于改進遺傳算法的全局路徑規(guī)劃方法，利用位置信息負反饋的思想改進遺傳算法中種群初始化的方法，并自適應地調(diào)整交叉和變異概率，從而提高算法的效率，獲得全局最優(yōu)路徑。然后，根據(jù)檢測到的障礙物柵格變化情況，在全局路徑規(guī)劃的基礎上設計一種局部路徑規(guī)劃方法，以建立的MTSR-HIT機器人實驗平臺為基礎，在實驗室環(huán)境中進行搜索實驗研究，對機