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未知环境下基于改进协调场的移动机器人导航技术研究

作　者: 王丽华
导　师: 岑豫皖、张捍东
学　校: 安徽工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 机器人 自主导航 动态避障 协调势场 自适应遗传算法
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


智能移动机器人导航是一项涉及到多学科、多领域的技术,在很多应用场合都发挥着重要作用。目前,自主导航已经成为研究热点,尤其是在未知动态环境下的导航。机器人自主导航的目的就是使机器人能在无人干预的情况下,自主地向目标点前进,同时能够完成其他任务。这就要求机器人能够自组织地规划出一条安全可行的轨迹,机器人必须对环境具有良好的自适应能力。论文提出了一种新的改进协调势场法,重新设计了排斥力函数和协调向量函数,克服了传统人工势场法在未知环境下导航所存在的局部极小、多障碍物前振荡以及动态避障差等缺陷。在该方法中,利用局部子目标点来构造局部势场,而子目标点可以通过不断滚动刷新局部窗口来获得。同时,论文提出一种多目标最优路径选择算法来确定子目标点的具体方向,通过此算法,机器人可以在众多可行路径中选择一条最优路径来行走,算法对动态避障时的路径优化进行了重点设计。为了提高整个避障过程的优化性,本文将多目标自适应遗传算法与导航函数相结合,设计了简单可行的适应度函数来实现对导航函数中可调参数的多目标优化。该算法可以帮助机器人规划出一条安全、光滑的较短路径。仿真结果验证了该算法的可行性和有效性。本文考虑到移动机器人动力学和运动学的非完整约束限制,设计了移动机器人运动控制系统。利用立方螺旋曲线对路径进行光滑处理,处理后的无碰撞路径可以容易地被非完整移动机器人进行跟踪。通过控制两个驱动轮的转速,可以实现点到点,以及对已规划路径的稳定跟踪。

全文目录


摘要  2-3
Abstract  3-7
第一章 绪论  7-14
  引言  7
  1.1 课题的研究背景和意义  7
  1.2 移动机器人概述  7-12
    1.2.1 机器人的发展历史  7-10
    1.2.2 移动机器人的特点  10-11
    1.2.3 移动机器人与人工智能  11-12
  1.3 移动机器人导航技术简介  12
  1.4 本文内容及结构安排  12-14
第二章 移动机器人导航关键技术综述  14-27
  引言  14
  2.1 环境模型的数字描述  14-17
    2.1.1 地图的表示方法  14-16
    2.1.2 AGV 的地图创建  16-17
  2.2 自主定位  17-18
  2.3 体系结构  18-19
  2.4 移动机器人现有导航策略分析  19-24
    2.4.1 基于环境模型的导航策略  19-20
    2.4.2 基于行为的导航策略  20-21
    2.4.3 基于人工智能的导航策略  21-23
    2.4.4 基于学习的导航策略  23
    2.4.5 基于人工场的导航策略  23-24
  2.5 AGV 导航研究概况  24-25
  2.6 移动机器人导航技术展望  25-26
  小结  26-27
第三章 基于改进协调势场法的移动机器人导航策略  27-47
  引言  27
  3.1 人工势场法的基本原理  27-29
  3.2 传统人工势场法的缺陷及分析  29
  3.3 已有的势场改进方法  29-32
    3.3.1 局部极小的克服  29-30
    3.3.2 动态避碰的解决  30-31
    3.3.3 其它缺陷的解决  31
    3.3.4 势场法与人工智能的结合  31-32
  3.4 人工协调势场的改进设计  32-38
    3.4.1 环境模型的建立  33-34
    3.4.2 排斥力函数的设计  34-36
    3.4.3 人工协调向量设计  36-38
  3.5 局部最优子目标点的选取  38-45
    3.5.1 静态避障时的选取  39-42
    3.5.2 动态避障时子目标点的设定  42-45
  3.6 协调向量的自适应调节  45-46
  小结  46-47
第四章 基于自适应遗传算法的导航函数参数优化  47-62
  引言  47
  4.1 基本遗传算法的原理与特点  47-48
  4.2 基本遗传算法存在的问题及分析  48-49
  4.3 自适应遗传算法  49-54
    4.3.1 当前自适应遗传算法策略分析  49-50
    4.3.2 基于遗传操作算子的自适应遗传算法  50-51
    4.3.3 自适应遗传操作  51-53
    4.3.4 优化过程  53-54
  4.4 仿真分析  54-61
    4.4.1 静态避障仿真  54-56
    4.4.2 动态避障仿真  56-61
  小结  61-62
第五章 移动机器人运动控制系统的初步设计  62-74
  引言  62
  5.1 非完整移动机器人运动控制概述  62
  5.2 非完整移动机器人系统的数学分析  62-64
  5.3 非完整约束机器人的运动学和动力学模型  64-66
  5.4 运动规划  66-68
    5.4.1 非完整机器人路径规划  66-67
    5.4.2 路径的光滑处理  67-68
  5.5 路径跟踪器设计  68-70
  5.6 移动机器人导航系统设计  70-72
  5.7 仿真分析  72-73
  小结  73-74
结论  74-76
  1 全文总结  74
  2 本文主要贡献  74
  3 未来研究方向  74-76
参考文献  76-81
符号清单  81-82
插图清单  82-84
表格清单  84-85
攻读硕士学位期间发表的论文  85-86
致谢  86

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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