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《浙江大学》 2001年
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物品自动运送机器人(ACR)原型系统控制体系结构研究

冯文镛  
【摘要】: 机器人,尤其是智能机器人,作为人类自身能力的一种延伸,能够极大地提高人类的生产力和改善人类的生存环境。在过去的数十年中,各种不同类型的工业机器人已被广泛应用于各类生产制造领域,促进了制造业的蓬勃发展。近年来,随着各种基础理论和单元技术研究不断获得新的进展,(智能)机器人应用已逐步进入较制造业更为广阔的民用服务领域。与此同时,复杂的民用服务应用也对(智能)机器人的研究、设计和实现提出了更高的要求。 (智能)机器人的研究和应用对提高劳动生产率、推动科技发展具有重要意义,同时也成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的一个重要标志。由于我国对(智能)机器人的研究起步较晚,与某些发达国家(如美国和日本)之间存在较大的差距。在此背景下,我们根据目前所具备的研究基础和实际条件,规划了一个有望在多种民用服务领域获得较广泛应用的物品自动运送机器人(ACR)原型系统研究项目。希望通过对ACR原型系统的研究,为将来的各种实际民用服务机器人系统的研究和实现打下一定的基础。 论文内容仅是ACR原型系统项目研究工作的一部分,其主要内容是关于智能机器人(IRS)控制体系结构的研究,目标是在对目前各种典型IRS控制体系结构深入研究的基础上,为ACR原型系统以及将来可能实现的各种实际ACR系统建立一个高可靠性的、灵活的、可扩展的、开放式的控制体系结构。 第一章介绍了目前国内外服务机器人与自主移动机器人的研究状况,提出了物品自动运送机器人(ACR)及其原型系统的概念,并对目前已有的典型IRS控制体系结构作了分析比较研究。 第二章在对ACR原型系统的功能目标进行具体分析和细化的基础上,给出了ACR原型系统的整体硬件结构设计方案。基于一个灵活的通信系统,为ACR原型系统建立了一个开放式的整体控制硬件架构,使得新的功能组成部分的加入变得简单易行。 第三章在对ACR原型系统的任务目标进行详细分析的基础上,参考第一章中对各种典型IRS控制体系结构的分析,为ACR原型系统建立了一个基于分层递阶思想的IRS控制体系结构理论模型,并对理论模型的各个组成部分以及所涉及到的基本概念作了较详细的说明。最后,在理论模型的基础上,建立了ACR原型系统控制体系结构的实现模型。 第四章讨论了诸如状态空间法、计划空间法、问题归约以及分层递阶规划等各种高层任务规划方法以及这些规划方法的综合集成,并使用这些方法解决了ACR原型系统的某些典型高层任务规划问题。给出了高层任务规划中的时间和资源约束问题的一种解决方案,最后描述了ACR原型系统的高层任务规划子系统的基本结构和整体规划流程。 第五章根据对ACR原型系统高层任务管理的需求特性分析,选择了过程推理系统用于具体实现决策层的高层任务管理器,并详细描述了具体实现方案。对决策层高层任务管理的实时性进行了分析,并探讨了高层任务管理中的故障和错误的恢复问题。 第六章对ACR原型系统控制体系结构任务执行层的具体特性作了详细分析,将任务执行层分解为状态/事件监视、任务执行控制以及故障诊断与恢复三部分,并分别针对这三部分的功能特性、组织结构以及运行机制等作了详细描述。同时,还为任务执行层定义了一种具体的任务描述形式化语言,用于编制任务执行层的任务过程。 第七章对ACR原型系统控制体系结构功能层的具体特性作了详细分析,为功能层建立了一个由不同功能模块组成的开放式体系结构。通过对模块内部所包含的功能/活动进行分类组织,建立了模块的功能模型。为所有功能模块的具体实现提出了一个通用框架结构,探讨了不同模块间的具体通信问题以及模块的自动/半自动生成的实现方案。 浙江大学博士学位论义 摘芙 第八章详细讨论了ACR原型系统的局部路径规划和全局路径规划问题。针对自由导引 模式,给出了一种以最小转弯次数为首要规划目标的最优局部路径规划算法,并针对此算法 提出了一种环境建模方法。在局部路径规划的基础上,提出了一种基于遗传算法的全局路径 规划算法。 第九章描述了ACR原型系统自主移动平台的几个典型实验方案及结果,并对实验结果 进行了分析。 第十章对全文进行了总结,指出了论文的不足之处,并对今后的研究工作进行展望。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TP242

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