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《浙江大学》 2009年
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移动机器人故障诊断与容错控制的研究

林吉良  
【摘要】: 随着计算机技术、电子技术、控制理论、机械工程等学科的发展和新材料、新元件的应用,移动机器人技术日新月异。移动机器人已被广泛应用在工业、农业、军事、太空探索、深海探索、医疗、救援和日常生活等各个方面。现代工农业、军事等领域日趋复杂以及人们对生产生活质量的不断追求,使得对移动机器人要求越来越高,机器人技术也越来越先进、复杂。从简单应用到智能化、从人工参预到自组织运行、从已知环境到未知环境应用、从单机器人操作到多机器人协调工作和编队工作等等,这些应用都对移动机器人的稳定性提出了一定要求。如果移动机器人在带故障状态下运行,一方面会使移动机器人的寿命缩短,另一方面还可能带来不利影响,有时可能产生灾难性的后果。实际工程运行表明,移动机器人容易出现故障。即使花费大量人力物力精心设计和制造的移动机器人,在面对未知的、复杂的应用环境时,也经常会出现故障。特别是应用在太空、深海或危险环境中,移动机器人出现故障时人们无法直接维修或维修代价太高,因此移动机器人故障诊断与容错控制技术的研究具有重要意义。 本文在国内外学者对移动机器人故障诊断研究的基础上,结合移动机器人应用发展的趋势,引用了相关领域的新技术,对未知环境下的移动机器人故障诊断、移动机器人并发故障诊断、编队运行的移动机器人故障诊断与容错控制、群集(flocking)中的移动机器人故障诊断与容错控制进行了研究。本文的主要研究成果如下: 1、分析了移动机器人故障的分类、产生原因,故障诊断的意义、研究现状以及各种移动机器人的诊断方法、特点、需要解决的问题和研究趋势; 2、提出了一种基于支持向量机(SVM)的未知环境下移动机器人故障诊断的方法。支持向量机故障诊断的关键是提取特征向量、支持向量机参数选取、降低噪声对支持向量机的影响以及剔除孤立点等。针对支持向量机对噪声敏感的特点,提出了小波变换的方法重构采样信号并提取特征,用网格搜索与交叉验证的方法优化支持向量机的参数,采用投票方式的多支持向量机对故障特征进行分类。提高了故障诊断的适应性和分类正确率。 3、针对移动机器人可能同时并发多种故障的特点,提出了基于模糊核聚类(KFCM)的移动机器人并发故障诊断技术。采用针对单发故障的卡尔曼滤波器对采样信号进行滤波,利用整合先验知识的模糊核聚类方法对滤波残差信号进行模糊分类,利用数据点对各聚类中心的模糊隶属度,诊断机器人是否发生了某一类故障,或者某两类并发故障。在“先锋3”号移动机器人上对12种单故障与并发故障进行了诊断并与FCM方法进行了对比,结果证明了该方法比FCM具有更好的诊断效果。 4、研究了移动机器人在SBC、SSC跟随规则的编队方式运行时的故障诊断与容错控制。根据SBC跟随规则和SSC跟随规则,设计了相应的分布式扩展卡尔曼滤波器对信号进行滤波,根据滤波残差进行故障诊断。提出了编队控制时的容错控制策略和避障算法。弥补了Diagle等人算法中机器人出现故障或遭遇障碍物时无法维持编队的缺陷。分析了大量移动机器人在编队控制时可能组成的复杂网络上故障传播模型,提出了基于复杂网络传播模型的目标免疫算法,能降低故障在大规模编队网络中传播的概率。 5、以α-网格模型的群集为研究对象,采用几个群集相关性能指标,研究群集中移动机器人出现故障时对群集性能的影响。提出了基于数据通信和数据关联的群集故障诊断和容错控制算法。将故障机器人看成障碍物,提出了运用栅格地图记录信息和和采用各类agent模拟受力关系的方法对复杂形状障碍物的避障算法。不仅克服了Olfati-Saber算法总对凹多边形、长墙状的障碍物无法避障的缺点,而且该算法无需事先知道机器人运行环境的先验知识,具有一定的优越性。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP242

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 陈月营;多机器人系统的全局协调故障诊断与容错控制[D];郑州大学;2011年
2 杨智鑫;移动机器人语音识别系统的研究与实现[D];北京化工大学;2011年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前9条
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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9 刘满禄;张华;王姮;胡天链;;基于模糊控制器的移动机器人导航[J];兵工自动化;2009年06期
10 张晶;;某型自行火炮综合电气系统故障诊断专家系统[J];兵工自动化;2010年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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3 刘士荣;何文波;;基于强跟踪粒子滤波器的非线性系统故障诊断[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 胡文金;周东华;;基于输入等价干扰的DC-DC变换器自适应控制[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 夏全喜;车载组合导航系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 李高云;大型船舶航向/航迹智能容错控制研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 王小旭;非线性SPKF滤波算法研究及其在组合导航中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
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8 籍艳;几类时滞系统的稳定与同步[D];江南大学;2010年
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10 韩赟;高技术虚拟企业(HTVE)知识管理模式研究[D];哈尔滨理工大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 苏延森;刺激下拟南芥基因逻辑网络构建与分析[D];山东科技大学;2010年
2 蒲锰;非侵入式矿井提升机PLC电控系统实时故障诊断方法的研究[D];山东科技大学;2010年
3 李二艳;刺激下拟南芥基因相关网络构建与分析[D];山东科技大学;2010年
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5 王立;面向非结构化地形的六足步行机器人运动规划研究[D];浙江理工大学;2010年
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9 高萌;复杂神经元网络的同步问题研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 林吉良;蒋静坪;;基于支持向量机的移动机器人故障诊断[J];电工技术学报;2008年11期
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9 林波;吕明;;基于DTW改进算法的孤立词识别系统的仿真与分析[J];信息技术;2006年04期
10 王丽荣,甘永,徐玉如,万磊;滑模观测器在水下机器人推力器故障诊断中的应用[J];哈尔滨工程大学学报;2005年04期
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 杨浩;混合系统的容错控制技术研究[D];南京航空航天大学;2009年
2 崔博文;电动机变频调速系统故障检测与诊断技术研究[D];西北工业大学;2002年
3 段琢华;基于自适应粒子滤波器的移动机器人故障诊断理论与方法研究[D];中南大学;2007年
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5 张缓缓;采用电动轮驱动的电动汽车转矩协调控制研究[D];吉林大学;2009年
6 王军年;电动轮独立驱动汽车差动助力转向技术研究[D];吉林大学;2009年
7 肖金壮;机器人故障探测诊断与容错控制及实验研究[D];燕山大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 郭叶军;机器人足球仿真比赛中多智能体系统的构建[D];浙江大学;2004年
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10 李苗苗;用于设备控制的语音识别系统的研究[D];大连海事大学;2008年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 侯海霞;;Agent软件建模技术过程及应用研究[J];电脑开发与应用;2012年11期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 伊磊;GD-1型拟人机器人语音识别研究与设计[D];北方工业大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前4条
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中国硕士学位论文全文数据库 前5条
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4 王珏;小脑模型神经网络控制器在水下机器人中的应用[D];哈尔滨工程大学;2004年
5 任洪亮;多模型控制理论在AUV运动控制中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 段琢华,蔡自兴,于金霞,邹小兵;基于粒子滤波器的移动机器人惯导传感器故障诊断[J];中南大学学报(自然科学版);2005年04期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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6 周光明;陈宗海;胡玉锁;陈春林;;复杂未知环境下移动机器人自主探测算法研究[A];'2003系统仿真技术及其应用学术交流会论文集[C];2003年
7 鲁守银;马培荪;姜葵峰;;基于机器人的锅炉鳍片管道自动检测技术[A];首届信息获取与处理学术会议论文集[C];2003年
8 关胜晓;许心德;曹洋;张彦;;移动机器人避开运动障碍物的策略[A];'2010系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2010年
9 马钊;马保离;;参数不确定拖车移动机器人的直线路径跟踪[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
10 王鸿鹏;刘景泰;;基于非线性Kalman滤波器的轮式滑动转向移动机器人定位误差分析[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 编译 王金元;微型机器人 虫子般灵巧[N];北京科技报;2005年
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3 记者 杜华斌;美研制出世界最小移动机器人[N];科技日报;2005年
4 铭心孙伟;中国机器人首次上南极[N];中国质量报;2007年
5 王笑梅;沈阳机器人开始首次南极科考之旅[N];辽宁日报;2007年
6 通讯员 张婵记者 毕玉才 苗家生;国产机器人将首次登上南极[N];光明日报;2007年
7 本报记者  贾旮菲;“新松”恨不高千尺[N];现代物流报;2006年
8 高级记者 马驰;新松公司:不断征服新领域[N];沈阳日报;2010年
9 张建松;特殊队员加盟南极科考[N];大众科技报;2007年
10 记者 王炳坤;机器人[N];新华每日电讯;2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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6 崔峰;基于GPS/GIS/GSM的移动机器人定位技术研究[D];河北工业大学;2004年
7 杨延祥;移动机器人运动规划及跟踪控制研究[D];燕山大学;2011年
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