移动机器人控制系统设计

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1、专业技术资料分享一、绪论（一）引言移动机器人技术是一门多科学交叉及综合的高新技术，是机器人研究领域的一个重要分支，它涉及诸多的学科，包括材料力学、机械传动、机械制造、动力学、运动学、控制论、电气工程、自动控制理论、计算机技术、生物、伦理学等诸多方面。第一台工业机器人于20世纪60年代初在美国新泽西州的通用汽车制造厂安装使用。该产品在20世纪60年代出口到日本，从20世纪80年代中期起，对工业机器人的研究与应用在日本迅速发展并步入了黄金时代。与此同时，移动机器人的研究工作也进入了快速发展阶段。移动机器人按其控制方式的不同可以分为

2、遥控式、半自动式和自主式三种；按其工作环境的不同可以分为户外移动机器人和室内机器人两种。自主式移动机器人可以在没有人共干预或极少人共干预的条件下，在一定的环境中有目的的移动和完成指定的任务。自主式移动机器人是一个组成及结构非常复杂的系统，具有加速、减速、前进、后退以及转弯灯功能，并具有任务分析，路径规划，导航检测和信息融合，自主决策等类似人类活动的人工智能。（二）移动机器人的主要研究方向1.体系结构技术1）分布式体系结构分布式体系结构【1.2.3】是多智能体技术在移动机器人研究领域的应用。智能体是指具有各自的输入、输出端口，独

3、立的局部问题求解能力，同时可以彼此通过协商协作求解单个或多个全局问题的系统。移动机器人系统，特别是具有高度自组织和自适应能力的系统，它们的内部功能模块与智能体相仿，因此可以应用多智能体技术来分析和设计移动机器人系统的结构，实现系统整体的灵活性和高智能性。在分布式体系结构中，各个功能模块具有不同的输入输出对象和自身的不同功能，并行各工作，整个系统通过一个调度器实现整体的协调，包括制定总体目标、任务分配、运动协调和冲突消解等。2）进化控制体系结构面对任务的复杂性和环境的不确定性以及动态特性，移动机器人系统应该具有主动学习和自适应的

4、能力。WORD资料下载可编辑专业技术资料分享将进化控制的思想融入到移动机器人体系结构的设计中，使得系统哎具备较高反应速度大的同时，也具备高性能的学习和适应能力。文献【4】提出的进化控制体系结构包括进化规划和基于行为的控制两大模块，其优点是既具有基于行为的系统的实时性，又保持了基于功能的系统的目标可控性，并兼有自学习和自适应的功能。文献【5】是进化控制的思想在机器人体系结构设计方面的又一体现，提出了一种模拟人类学习与进化过程的机器人进化控制体系结构。机器人利用事先设计好的基本行为，根据实际环境和具体任务要求，自主创建满足任务要求

5、和适应环境的具体行为。文献【6】考虑到智能体本身具有独立性、自主性、开放性等优点，将智能体的技术与进化控制相结合，提出了一种基于多智能体的移动机器人导航进化控制体系结构。3）多移动机器人系统多机器人系统是以多个机器人组成的系统为研究对象，研究目的在于寻求一套分析、设计和控制机器人群的有效方法，使其能够有效、高质量地协作完成任务【7】。随着机器人技术的发展和应用领域的不断扩展，具有单个机器人无法比拟的优越性的多机器人系统已得到了普遍重视。设计合理的体系系统结构对于多机器人系统在多变的工作环境中完成复杂的工作任务时起到至关重要的作

6、用。文献【8.9.10】在分析了多机器人协作系统对单机控制体系结构的要求后，分别提出了适合的机器人个体控制体系结构，其基本思想是采用分层式和包容式融合的混合体系结构。文献【11】提出了一种使多个机器人在不同层次上方便地进行行为调整和协作的体系结构，在这种体系结构中，单个机器人采用分层式结构，而不同机器人之间是分布式的关系，可以在每个层次上直接相互作用。这种结构的优点是各个机器人可以在每个层次上灵活地建立作用关系，同时随环境的变化和不确定性保持实时的反应性能。2.定位与导航技术智能移动机器人的“智能”特征在于它具有与外部世界相协

7、调的工作机能，这种协调在具体的实现上首先要求机器人确定自身与周围环境的位置关系，以便根据目标任务做出正确决策和路径选择，因此导航的定位成为移动机器人的两个最为重要问题。移动机器人的导航方式可分为：基于环境信息的地图模型匹配导航、基于各种导航信号的陆标导航、视觉导航和味觉导航等。1）定位技术作为移动机器人导航最基本环节，定是确定机器人在工作环境中相对于全局坐标的位姿。定位方法根据机器人工作环境复杂性，配备传感器的种类和数量等不同有多种方法。主要方法有：码盘定位、陆标定位和声音定位等。码盘定位是在移动机器人的车轮上装有光电编码器，

8、通过对车轮转动的记录来粗略的确定位置和姿态。该方法虽然简单，但是由于车轮与地面存在打滑现象，产生的累积误差随路径的增加而增大，定位误差会逐渐累积，引起更大的误差。Yamauchi【12】WORD资料下载可编辑专业技术资料分享使用推测航行法和证据栅格来实现计算动态环境中的机器人