面向机器人的基于多智能体嵌入式控制系统设计方法及其应用研究

《面向机器人的基于多智能体嵌入式控制系统设计方法及其应用研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、●上海交通大学博士学位论文摘要面向机器人的基于多智能体嵌入式控制系统设计方法及其应用研究摘要控制系统是机器人等各类智能机电设备信息处理和控制的主体，直接决定整机的行为和性能。高效率完成这类控制系统设计一般需要涉及相关学科的理论基础、良好的技术背景、以及系统地整合相关内容的能力。最近几年，嵌入式系统技术获得长足进步，为各类实时控制应用提供了廉价高性能的解决方案。利用先进的嵌入式系统技术为各类机电设备开发高性能嵌入式控制器已经成为一个十分活跃的研究领域。这类系统的典型特征是：以嵌入式计算机为控制核心，以机械系统为被控制对象，以传感器和驱动器为控制接口，满足系统对功能、成本、可维护性、

2、可靠性等各个方面的要求。实际的复杂控制系统一般包含多个子控制器(控制算法)，每个子控制器一般都是针对某个特定任务或为了响应某个特定操作状态设计而成，以此达到系统级的预期目标，常常需要针对不同的操作状态实现子控制器的动态切换。由于实际系统千差万别，内部部件或不同的操作模式之间也存在着不同种类或不同形式的耦合关系。因此面对这类复杂控制系统时，设计人员不仅要完成各个子控制器的设计，还需要考虑如何将这些子控制器高效地进行整合。具有局部自主能力的移动机器人就是这类系统的典型代表。如何完成这样的系统要求一定的工程技巧与经验，这是控制理论所不研究的。最近几年，部分国外学者已经注意到这个问题，针

3、对这类复合型控制器架构设计问题展开研究，以期提供一套衔接理论分析与工程实现的有效方法。部分卓有成效的工作集中于MAS领域。利用MAS方法学的研究成果为复杂系统建模已经成为～种研究复杂控制系统设计的新趋势。本文所述内容主要是在完成排爆机器人PBJ．1(国家863项目，编号：2003AA421020)研制基础上进行的设计方法学总结性研究；以及为提高移动机器人操作性能和赋予一定的自主性能展开的部分研究工作。文中结合MAS领域的研究成果与嵌入式系统相关技术，上海交通大学博士学位论文总结出一套面向嵌入式固件架构设计的方法；以研制的自主移动机器人为例介绍相关研究成果及该方法的设计应用技术，概

4、括如下：1)提出基于MAS的嵌入式系统设计方法。这种方法结合了MAS领域的研究成果与嵌入式系统相关技术，主要用于指导机电设备嵌入式控制器固件架构设计。这种方法用Agent概念处理复合型控制系统的多个子控制器；用MAS方法学指导构造这些Agent之间的通讯及协调机制。文中从方法学的角度系统阐述了在嵌入式系统上实现MAS的原理、提出相关概念、总结方法流程。采用这种方法为实际机电一体化设备设计的控制系统可以被称为嵌入式MAS控制器。2)提出一种适合嵌入式系统实现的机械臂通用位置逆解算法，对冗余及非冗余空间串联型机械臂问题均有效。建立过程规范简单，很容易用于机械臂的嵌入式控制器开发。文中

5、列出算法部分仿真结果及在开发的多款微控制器平台测试获得的实验数据。3)提出一种基于嵌入式MAS的机械臂控制方法，前述机械臂位置逆解算法是这种控制方法的基础。这种控制方法集成了基于模型和基于行为的思想，可以使冗余机械臂的行为更具柔性及强鲁棒性。文中以研制的模型机械臂系统I-IN-8为例，系统介绍了其实现技术。4)提出一种实用的低成本自主移动机器人导航设计方案，可以实现一种纯反应式自主能力，保证移动机器人在非结构环境下自主避障到达目标点。文中具体介绍了一台作者自制的小型多操作模式移动机器人ItN．9模型的研制情况，并详细论述相关理论研究成果。I-IN．9装备多个传感系统实现环境感知以

6、及自主导航，采用扩展卡尔曼滤波器实现导航子系统信息融合，模糊控制器实现行为决策。5)详细介绍移动机器人ItN-9自主模式部分的嵌入式MAS控制器实现方法。前述第4项是这部分内容设计不可或缺的基础内容。以上3及5项可以作为利用本文方法具体解决机器人研究领域部分问题的应用实例。如文中所述，开发的几款具体控制器平台分别采用目前在国内比较普及或开始被广泛关注的MCS51，AVR，MSP430以及ARM7TDMI．S内核微控制器。主要以基于优先级调度法的实时操作系统可剥夺型内核IaC／OS．IIV2．52为例进行相关论述。关键词：嵌入式系统，智能体，多智能体系统，移动机器人，卡尔曼滤波器，

7、模糊控制，自主导航II●■●圭查奎墨查兰堡主兰堡堡墨一—竺：坚垒里DESIGNMETHODANDAPPLICATIoNRESEARCHONMAS．BASEDEMBEDDEDCoNTRoLSYSTEMOFROBoTABSTRACTControlsystemisthekeypartofvariousintelligentmechatronicdevices(e．g．robot)，fordominatingtheirbehaviorandperformance．Generally，su