周巍[1]2011年在《煤矿井下搜救探测机器人的路径规划及轨迹跟踪控制研究》文中提出我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。然而,由于矿井自然条件差,高瓦斯矿井多,加上技术和管理等诸多方面不到位,以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长,使得煤矿开采中瓦斯爆炸、涌水、着火等事故频繁发生,由此造成重大的人员伤亡事故和不良的社会影响,严重制约着煤炭工业的健康发展。因此,研发煤矿井下搜救探测机器人是煤矿井下发生瓦斯爆炸事故后进行抢险救援的前提手段和必要工具,它能够在矿难原因和现场情况不明的情况下,替代或部分替代救援人员进入灾害现场实施环境探测和搜救任务,同时将信息实时地传输到救援指挥中心,为救援决策提供科学依据,便于快速、准确地制定救援方案。因此,对煤矿安全生产、减少国家和人民生命财产的损失具有十分重要的意义。本文以煤矿井下搜救探测机器人为研究对象,在对其运动装置进行设计分析的基础上,围绕移动机器人自主导航中的两项关键技术——路径规划与轨迹跟踪控制问题进行了深入的研究。首先对自主移动机器人研究中的关键技术进行了全面、系统的总结,重点对其中路径规划和轨迹跟踪控制的研究内容、存在问题及发展趋势等进行了综述,归纳总结了各种算法的性能差异,并以此为基础展开进一步的研究与探讨,主要研究内容包括以下几个方面：提出了一种针对煤矿井下特殊环境的运动装置设计方案。对煤矿井下搜救探测机器人的运动系统、通行能力和结构特点进行了重新设计及进一步改进,并在此基础上,利用地面力学理论,参考履带车辆的运动学和动力学原理,针对煤矿井下搜救探测机器人采用差动转向的特点,建立了机器人的运动学和动力学模型,为后续的煤矿井下搜救探测机器人轨迹跟踪等控制问题的研究奠定了基础。针对煤矿井下非结构化环境的不确定环境特征,设计了上下位机的分级控制系统,提出了一种分层协作规划与控制的体系结构。考虑到煤矿井下搜救探测机器人特定的应用环境及要求,设计了一个主要由决策系统(包括上位机监控模块、下位机控制模块、传感检测模块等)、数据通信系统和运动控制系统等组成的控制系统。并在分析当前出现的机器人各种体系结构的基础上,提出了一种从上到下依次分为决策层、慎思层和控制层的分层协作规划与控制的体系结构,能够满足机器人在未知环境下导航任务的复杂性与不确定性的要求。结合目前具有代表性的遗传算法、蚁群算法这两种优化算法各自的特点,分别对其进行了改进。首先,设计了一种改进的遗传算法,充分考虑到井下环境地形的高低变化,采用栅格法在叁维空间中对机器人工作环境进行建模,并根据路径长度最短且能耗最少的评价指标设计了适应度函数。按照可变长度的染色体编码方式及随机指导式搜索策略来生成初始种群,保证初始阶段无障碍路径的产生,同时针对传统遗传算法中存在的“早熟现象”和“收敛速度慢”的问题,将交叉算子和变异算子进行优化设计,从而使整个规划过程变得简单而有效。其次,本文还在最大—最小蚂蚁系统(MMAS)的基础上,提出了一种改进的蚁群算法,对其启发函数、路径选择规则及信息素更新方式等进行改进,加快了算法收敛速度,改善了路径规划的性能。最后通过实验对改进算法的性能进行了验证。提出了一种用于实现机器人轨迹跟踪的模糊自适应控制器的设计方法。首先利用Lyapunov直接法设计出机器人轨迹跟踪控制系统的控制器,对机器人以期望运动速度从当前位置运动到目标点的过程进行控制,并在参考线速度不为零时,利用Barbalat引理对系统的全局一致渐近稳定性进行了证明。另外,在此基础上设计了一种模糊自适应控制器,解决了模糊多变量控制系统中规则数随系统变量数呈指数增长的问题,提高了控制器效率,且使模糊控制逻辑变得清晰明了。实验结果证明,本文设计的这两种轨迹跟踪控制器,对于不同初始误差、不同类型的参考速度都具有很好的跟踪效果。
金文俊[2]2008年在《自主移动机器人的定位与运动控制》文中研究表明自主移动机器人是目前机器人领域研究的重点之一,吸引着众多学者的注意,这是因为它有着巨大的应用潜力。本文以自行设计的自主移动机器人为研究对象,完成了移动机器人的运动控制系统、感知系统的软硬件设计,并对移动机器人的墙跟踪策略中出现的问题进行了分析和研究。本文的主要研究内容和取得结果如下:1.主要介绍了移动机器人的一些关键技术,课题的研究背景和意义,概述了本论文的研究内容。2.详细分析了机器人的运动学特性。从独立双轮驱动的运动学模型出发,对运行速度和角速度之间的关系进行了探讨,指出机器人转弯半径与两轮线速度差之间的关系,并完成构造移动机器人的机械结构和体系结构。3.完成了双轮差速驱动机器人运动控制系统,包括运动控制系统控制电路、驱动电路、光电隔离、速度传感器等。设计了一种新颖的基于单片机和CPLD的直流电机PWM驱动器。4.完成了机器人感知系统的设计,其中包括一种新颖的超声波传感测距系统、电子罗盘、红外光电传感器、通信模块和显示模块的软硬件设计。5.采用超声波传感测距系统和电子罗盘相结合的办法来获取移动机器人墙跟踪时需要的定位信息,并借助模糊逻辑的思想来完成移动机器人墙跟踪行为的实现。6.最后,对本文的研究和结果进行了总结,并提出了一些进一步研究的问题。
谢振宇[3]2008年在《电缆隧道综合检测机器人控制系统研究》文中研究说明随着机器人技术的发展,小型地面移动机器人在排爆、反恐、消防、管道检测等领域的应用越来越广泛,机器人控制系统的研究也成为当今科学研究领域的热点之一。本研究课题来源于国家电网公司的实际工程项目——“电缆隧道检测机器人系统”,其研制的意义在于:以机器人的方式综合实现电缆隧道的防火、有害气体监测工作的自动化。本课题着重研究电缆隧道检测机器人控制系统,主要工作包括以下几个方面:首先,进行了机器人控制系统下位机硬件设计,包括机器人供电电源系统,以TMS320LF2407型DSP为核心的运动控制系统,多传感器数据采集系统,无线通讯系统。其次,进行了机器人控制系统上位机软件设计,包括使用Delphi语言设计了人机交互界面和上位机控制软件,和基于多传感器数据融合技术的工况等级评定系统。最后,重点研究了以超声波测距传感器作为感知器的机器人避障系统,以及通过图像处理技术来研究隧道路径导航,从而实现基于行为的机器人运动控制。实验证明了该机器人控制系统的稳定性和可靠性,它不但能够在无线遥操作模式下实现避障、越障等功能,而且能够在自主模式下实现简单的自主行走和越障。另外,工况等级评定系统也令人满意,整体功能达到了预期的设计目标。
朱林仓[4]2015年在《可变形搜救机器人自主运动控制研究》文中指出目前,楼宇废墟环境的复杂性和搜救工作的高效率需求,对废墟搜救机器人提出了更高的要求。采用遥操作控制的搜救机器人,存在搜救效率低、通信信号中断导致失联等问题。机器人的自主化顺应了当前灾难救援工作的需求,能够更好地适应颠簸的复杂废墟环境、提高灾难救援的工作效率,并能在机器人失联后确保机器人的自身安全。因此,灾难搜救机器人的自主运动控制研究成为机器人研究领域的热点问题。本论文的研究内容依托住房和城乡建设部“物联网环境下的建筑火灾监测和救援机器人关键技术研究”课题和国家科技支撑计划“机器人化地震应急搜救装备研制”课题展开。论文研究的主要内容包括可变形搜救机器人运动机理分析和运动学模型建立,感知系统研究,颠簸环境下自主运动控制方法研究,自主攀爬楼梯运动控制研究和基于逆航迹推算的自主返回运动控制研究。首先,本论文以可变形搜救机器人平台为基础,深入分析了可变形机器人直线运动和转向运动的运动机理及变形机理,建立了机器人的运动学模型。第二,针对机器人感知系统的需求,设计了分布式、模块化的感知系统结构。在深入分析距离感知模块、姿态感知模块和航向感知模块所应用的超声波传感器、倾角传感器和电子罗盘工作原理的基础上,将传感器的输出数据进行统一化处理。改进了限幅滤波算法,对超声波传感器的量测数据进行数字滤波,解决了超声波传感器由于二次反射造成的量测误差问题。第叁,提出机器人运动速度与环境颠簸程度相协调的控制方法,解决颠簸环境下机器人自主运动的决策失误问题。针对引起机器人发生颠簸的障碍物,建立了颠簸环境下机器人姿态的数学模型,设计了模糊控制器,并采用MATLAB仿真验证了控制策略的有效性。第四,针对机器人自主攀爬楼梯的关键过程分别设计运动控制策略,解决机器人自主攀爬楼梯过程中与楼梯的碰撞问题。通过设计超声波传感器的安装位置和方向,解决了机器人对楼梯底部台阶和顶部台阶的识别问题;通过控制机器人各模块驱动电机的角速度比例关系,解决了机器人在楼梯平台与楼梯梯段过渡阶段的平滑运动问题;采用MECE(相互独立,完全穷尽)原则对机器人楼梯梯段运动过程中的方向和位置进行控制;通过实验验证了控制策略的有效性和准确性。最后,提出逆航迹推算自主返回控制策略,解决机器人因通信中断而造成的失联、失控问题。深入分析了逆航迹推算自主返回控制策略;制定了逆航迹推算自主返回控制策略的实现步骤;针对可变形搜救机器人的运动特点,对逆航迹推算自主返回控制策略进行了具体设计;通过实验验证了逆航迹推算自主返回控制策略的有效性。本文的研究成果,已经在可变形废墟搜救机器人中得到了成功应用。
孙波[5]2008年在《可重构移动机器人的嵌入式控制系统设计》文中研究表明随着机器人应用领域的日益扩大,各行业对机器人的功能要求越来越多样化,设计一款满足各种要求的、全能型的高智能机器人,或者针对每一项工作任务的功能要求而单独研发一款相应的机器人,都是不经济的,也是不现实的。在这种背景下,移动机器人的可扩展性、开放性以及可重构性研究就日益成为机器人研究和应用领域的热点之一。本文设计了一个基于ARM9的嵌入式Linux系统作为机器人系统主控制器,在此基础上,针对机器人控制系统进行了一些任务重构方面的研究。全文首先根据课题功能需求,进行了系统功能设计,提出了移动机器人可重构控制系统框架;然后在构建控制系统软硬件平台的基础上,分别设计和实现了移动机器人的本地任务重构和实时控制、远程任务重构和实时控制以及基于无线通信网络的多机器人任务重构和实时控制。文章基于“本地任务重构——远程任务重构——多机器人的主机器人对子机器人的任务重构”思路,做了以下研究和创新:1、根据课题功能需求提出了“任务重构”的思想,从任务角度进行机器人重构控制方面的研究。2、构建了基于ARM9的嵌入式Linux系统作为机器人的核心控制平台,主要包括引导装载程序、Linux内核移植、USB无线网卡驱动移植等;设计了运动控制器(子机器人控制器)及其与嵌入式控制器的通信协议。3、移植了嵌入式GUI,并基于触摸屏开发了本地任务重构和实时控制平台,实现了对机器人的本地任务重构和实时控制。4、构建了基于Socket连接的机器人网络服务器,实现了对机器人的远程任务重构和实时控制。5、基于nRF905无线通信节点为多机器人系统构建了一个无线通信控制网络,实现了多机器人的任务重构和实时控制。
阮锋[6]2004年在《移动机器人控制系统研究》文中指出随着机器人技术的不断发展，机器人家族日益膨胀，各式各样新奇的机器人成员逐步走入各行各业和社会的各个领域，并在其中发挥着越来越重要的作用，特别是在科技探险、军事侦察、扫雷排险、防核化污染等对人类来讲极度危险的领域，它所具有的优势越来越受到世界各国普遍关注和重视，日益成为各国的战略必争装备和竞争前核心技术。 当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点：一个是在横向上，机器人的应用领域在不断扩大，机器人的种类日趋增多；另一个是在纵向上，机器人的性能不断提高，并逐步向智能化方向发展。 作为一个复杂的智能控制系统，智能移动机器人涉及人工智能、控制理论、传感器技术和计算机科学等多门学科。本文对移动机器人的研究重点包括叁个方面：(1)移动机器人运动系统的设计与实现；(2)移动机器人体系结构；(3)移动机器人运动控制。 论文综述了移动机器人研究和应用的现状及移动机器人的几个关键技术，给出了移动机器人ZJMR的硬件平台和基于此平台的运动控制器的设计。对移动机器人的叁种基本体系结构做了分析和归纳，然后结合自行研制移动机器人的开发目标，具体设计了一种基于包容式结构的混合体系结构，分析了基于该结构的通信和接口协议，以无线传输为例给出了数据传输规范的具体实现，并介绍了控制软件的初步实现；在对决策系统的实现做了分析后，提出了ZJMR的基于模糊控制和二次曲线纠偏的跟踪控制方法，并对移动机器人避障做了探讨，提出了一种基于局部视觉的避障方案。
孙功勋[7]2016年在《基于视觉的自主移动机器人目标识别与操作技术研究》文中研究指明随着科研水平的不断提高以及人们生活水平的改善,基于视觉的移动机器人研究热度逐渐增加。视觉传感器采集的数据对于移动机器人有效认知周围的环境和物体起到巨大的作用,有利于目标识别与操作进而完成用户指定的任务。本文对室内环境下自主移动机器人目标识别与操作技术进行了研究,以四足机器人平台为基础,通过VS2010结合OpenCV计算机视觉库设计的智能控制系统能够进行多传感器数据采集、无线通信、机器人及其机械臂的远程操控、语音人机交互、图像处理、目标识别与质心坐标提取。本课题完成的主要工作如下:对机器视觉图像处理技术进行了探讨,对比了RGB和HSV颜色模型,基于对光照不敏感的HSV模型,先进行图像预处理,再进行彩色图像分割及目标识别,并查找目标物的最小外接矩形,进而提取其质心坐标。对系统功能和任务要求进行分析,设计了机器人软、硬件控制系统,机器人配置了红外测距、视觉、人体红外、温湿度、气体浓度、碰撞检测等多种传感器,并分别给出了上位机和下位机软件的实现方法。在无线局域网环境中,使用套接字接口技术基于TCP/IP协议实现客户机/服务器模式的无线通信。搭建无线通信平台,实现控制指令和采集到的环境信息的无线传输、图像的采集与处理以及目标物的识别、机器人的远程控制。设计了语音人机交互系统,分别介绍了语音识别与语音合成技术及其实现方法,将语音技术与机器人控制技术相结合,使机器人远程控制便捷化与智能化。另外,本文结合已有平台设计了语音人机交互与远程控制实验,验证了上述语音系统的可靠性和易操作性。基于目标识别与质心图像坐标提取,结合红外测距传感器测得的离目标物所在墙面的距离,制定机器人自主接近目标物的策略,到达执行器末端运动空间范围后停止。说明了叁自由度机械臂运动学方程获得驱动各舵机需要的角度,进而控制执行器到达期望位置操作目标。
黄永贤[8]2008年在《全自主足球机器人运动控制系统的研制》文中研究说明全自主足球机器人是当今机器人足球研究的一个热点。全自主足球机器人系统的研究不仅涉及机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制等技术,还涉及通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等各个领域。机器人足球将知识性和娱乐性融为一体,提供了一个展示高科技成果的形象化窗口。全自主足球机器人要完成踢球任务,需要一个高可靠性、高运动性能的运动控制系统。本文对足球机器人运动控制系统作了较深入的研究并研制出基于双DSP架构的足球机器人运动控制系统。经过反复的实验和机器人之间的比赛实战,证明了该控制系统具有高可靠性、硬件电路简洁、高可控性等特点,完全可以满足中型组足球机器人的运动控制的要求。本文的主要工作如下:(1)首先介绍了足球机器人比赛的起源和发展、比赛的意义、国内外在足球机器人比赛方面的研究进展和全自主足球机器人运动控制系统的国内外研究现状;重点介绍了全自主机器人足球比赛系统,阐述了全自主足球机器人的内部体系结构及其各个子系统:视觉系统、数据融合系统、决策系统、通信系统、运动控制系统的工作原理。(2)分析了足球机器人运动控制系统的功能要求,制定了总体设计方案,并详细阐述了运动控制系统的硬件设计过程。硬件设计分为处理器单元、电机驱动单元、轮速反馈单元、串行通信单元、踢球机构设计及其控制单元、电源单元等六个单元。(3)介绍了全自主足球机器人运动控制系统的软件开发环境以及软件设计流程。根据足球机器人运动控制系统的功能要求进行软件设计,详细阐述了运动控制系统的控制流程,包括:指令帧数据的结构定义,主循环接收、鉴别和执行指令帧数据的过程和方法,定时中断子程序执行指令的过程和操作分类,以及异常情况的预防和处理,给出控制系统的一些实验数据及其实验结果分析。论文最后进行总结,说明研究的创新点与研究成果,也对课题研究不足和改进之处提出了展望。
井超超[9]2012年在《轮式机器人运动系统设计与研究》文中提出随着人工智能和控制研究的不断深入，机器人控制技术越来越受到人们的重视，轮式机器人的更是一个研究的热点。轮式机器人是机器人的一种，它结合了机械、电子、计算机等技术，广泛的应用于各个领域。在查阅了大量资料的基础上，分析了移动机器人控制技术的特点以及发展现状，设计并研究了轮式机器人的运动控制系统。本文的内容主要包括以下四个部分：第一部分：阐述了轮式机器人运动控制控制系统结构、控制模型；第二部分：主要介绍了轮式机器人运动控制系统的组成以及各部分的功能，设计了以AT89S51微控制器为核心的主控制器作为轮式机器人运动控制系统，介绍了运动执行部分步进电机和步进电机驱动器的工作原理，给出了基于主控制器的运动控制方案；第叁部分：介绍了数控系统中常用的插补算法，采用插补算法来实现对轮式机器人的运动控制，并设计了控制程序，采用数字积分插补算法来实现对轮式机器人的运动控制；第四部分：给出了控制系统结构框图、主控制器时序脉冲图和算法实现过程；完成了大量的实验，对实验进行了分析，并对算法进行了改进，提高了插补算法的运算速度。本课题的设计和研究系统实现注重工程实际应用，采用的运动控制算法是数控系统中常用的数字插补算法，插补算法经过很长时间的研究和大量的实验论证，在实际中有着广泛的应用。
于金鹏[10]2005年在《基于多DSP的智能机器人运动控制系统的研究》文中研究表明开始于20世纪40年代的现代机器人技术是当前自动化领域的研究热点之一,其中智能移动机器人以其在服务、人工智能等领域的价值而受到重视。本文重点研究了基于TMS320LF2407A DSP控制器的智能移动机器人控制系统。主要研究内容包括: (1) 分析了国内外移动机器人的研究现状、课题提出的目的和意义,指出采用体积更小、功能更强的DSP作为控制器是发展当前国内移动机器人趋势。 (2) 智能机器人控制系统体系结构研究:系统采用多CPU分布式体系结构,将控制系统按功能划分为3个智能模块,每个模块有各自的CPU,可以自主决策,模块之间相互协调协作,使智能机器人能不断的感知周围的环境信息,随时调整车体安全行驶并执行相应的动作与操作,实现对智能机器人的控制。 (3) 控制系统设计与开发:设计了基于TMS320LF2407ADSP芯片的机器人控制系统,实现了机器人障碍距离信息检测、机器人运动控制、运动位置速度信息的检测与控制等。开发了基于HCTL—2020解码芯片的正交编码信号检测接口、机器人控制器之间以及与上位机之间的高速CAN总线接口以及超声波传感器信息检测接口,建立了较为完善的智能机器人控制系统平台。 (4) 运动控制算法研究:研究了运动控制系统的PID控制及其改进算法。采用人工智能理论,研究了单神经元自适应PID控制算法和机器人运动系统参数的在线调整及自适应问题。 采用多DSP的分布式体系结构的智能机器人控制系统简化了系统的设计与开发,有利于实现复杂的实时性智能控制任务。课题建立了较为完善的智能机器人控制系统平台,为深入研究智能机器人控制系统打下了良好的基础。
参考文献：
[1]. 煤矿井下搜救探测机器人的路径规划及轨迹跟踪控制研究[D]. 周巍. 太原理工大学. 2011
[2]. 自主移动机器人的定位与运动控制[D]. 金文俊. 浙江工业大学. 2008
[3]. 电缆隧道综合检测机器人控制系统研究[D]. 谢振宇. 上海交通大学. 2008
[4]. 可变形搜救机器人自主运动控制研究[D]. 朱林仓. 沈阳建筑大学. 2015
[5]. 可重构移动机器人的嵌入式控制系统设计[D]. 孙波. 武汉理工大学. 2008
[6]. 移动机器人控制系统研究[D]. 阮锋. 浙江大学. 2004
[7]. 基于视觉的自主移动机器人目标识别与操作技术研究[D]. 孙功勋. 南京航空航天大学. 2016
[8]. 全自主足球机器人运动控制系统的研制[D]. 黄永贤. 广东工业大学. 2008
[9]. 轮式机器人运动系统设计与研究[D]. 井超超. 西安电子科技大学. 2012
[10]. 基于多DSP的智能机器人运动控制系统的研究[D]. 于金鹏. 山东大学. 2005