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遥自主移动机器人运动规划与控制技术研究

仲训昱  
【摘要】: 近年来,移动机器人已成为机器人技术中一个十分活跃的研究领域,其智能化程度不断得到提高,自主能力也越来越强。然而很多应用领域中,在目前的相关支撑技术水平下,移动机器人还很难具备完全自主的能力,在许多情况下还需要人的参与和协助。为此,在提高机器人智能水平的同时,再把遥操作技术与自主机器人系统相结合,创建一个可以综合集成人的智能和机器人智能为特征的遥自主系统,对增强机器人的适应性和完成操作任务的能力、拓宽机器人的应用范围具有十分重要的意义。本文对面向实际应用的遥自主移动机器人的运动规划与控制相关技术进行了研究。 首先,对遥自主移动机器人的控制体系结构进行分析和探讨,设计了一种基于人机协同的三层递阶式控制系统结构。该结构采用了慎思与反应相结合的控制策略,并与遥操作系统中的上层——监控协助层相结合,通过遥操作系统的人机交互和人机协同机制,操作人员可以参与到机器人的控制过程中去,实现人的智能和机器人智能的融合。 其次,把智能移动机器人和全景视觉相结合,设计了基于全景视觉远程现实的移动机器人遥操作系统。在远程现实的界面图像稳定中,建立了一种快速、鲁棒的图像运动估计和补偿方法;把增强现实技术应用到基于远程现实的遥操作中,以提高人机交互能力和克服通讯时延的影响。 再次,针对未知环境下遥自主移动机器人的实时运动规划问题,在局部环境建模的基础上提出了一种人机协同的运动规划与控制方法。该方法把轨迹规划和跟踪控制合并在一起,设计了速度控制律;采用动态自适应规划窗口,克服了固定窗口过小或过大时对环境适应性差的缺点;针对滚动窗口法在复杂环境中容易陷人死锁或振荡的缺点,设计了有效的沿墙行走行为。仿真结果表明,该方法具有很好的环境适应性和避障能力,获得了较好的安全性和可达性,但是对运动障碍物的动态避碰不够理想。为此,针对机器人的动态避碰问题,采用速度障碍法的思想,并制定了相应的改进措施,在速度变化空间中,基于行为动力学原理和多步可达动态窗口,设计了新的优化目标函数,进行机器人的动态避碰规划。通过仿真实验,验证了上述方法的可行性和优越性。 最后,在给出全局路径下,对移动机器人的路径跟踪控制进行研究。设计了模拟人工驾驶的模糊控制器,并采用位.姿交替控制的方法,对路径点进行跟踪。仿真实验结果表明该方法是有效的,能够实现对给定路径进行快速、准确的跟踪。


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