移动机器人避障与多机器人围捕研究
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移动机器人是一个集环境感知、动态决策、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。在机器人纷繁复杂的种类中,移动机器人由于其广阔的应用空间吸引了广大的科研工作者对其进行研究。本文以集中控制式小型机器人足球比赛系统为研究平台,深入研究了单移动机器人的避障路径规划,在此基础上以围捕-逃避问题为背景研究了多机器人协作的系统结构、决策分配和具体的围捕-逃避算法。单移动机器人的避障路径规划的研究包括静态障碍物的避障和动态障碍物的避障两部分。在静态避障部分,分别研究了全局的栅格法避障、局部改进的人工势场法避障和结合了这两种方法优点的栅格势场法避障,并对这三种方法的避障路径和时间进行了比较;在动态避障部分,将障碍物的运动速度矢量与对机器人的相对位置引入到避障信息中,充分地考虑了障碍物的运动信息。采用带有可调参数的排斥势函数,针对障碍物不同的运动情况调节排斥势场的强度,能有效地解决传统人工势场法的缺陷,显著提高了规划的效率。本文的多移动机器人协作研究主要是对多机器人系统的体系结构、协作策略进行研究,以追捕-逃避问题为背景,平等对待追捕者和逃避者,设计了严格的智能躲避策略算法,而追捕者在不知逃避者策略的前提下执行协作策略。随后本文研究了两轮移动机器人的运动学模型,对变结构滑模控制在移动机器人路径跟踪方面的应用作了初步的探讨。论文结尾对全文进行了总结并对多机器人系统的协作的进一步研究、对移动机器人路径跟踪的深入探讨进行了展望。
摘要 | 第4-5页 |
ABSTRACT | 第5-6页 |
1 绪论 | 第10-18页 |
1.1 引言 | 第10-11页 |
1.2 移动机器人的研究意义和研究现状 | 第11-16页 |
1.2.1 移动机器人的定义和研究意义 | 第11页 |
1.2.2 移动机器人的主要研究方向 | 第11-16页 |
1.3 本论文的主要内容 | 第16-18页 |
2 实验平台-集控式小型机器人足球比赛系统 | 第18-25页 |
2.1 机器人足球比赛的起源与发展 | 第18-19页 |
2.2 足球机器人系统的工作模式 | 第19-20页 |
2.3 集中控制式小型机器人足球比赛(MIROSOT)系统平台 | 第20-22页 |
2.4 开展机器人足球比赛的目的与意义 | 第22-24页 |
2.5 本章小结 | 第24-25页 |
3 基于视觉的移动机器人避障路径规划 | 第25-42页 |
3.1 移动机器人路径规划概述 | 第25-28页 |
3.1.1 路径规划的定义 | 第25页 |
3.1.2 路径规划的分类 | 第25-26页 |
3.1.3 主要的路径规划算法简介 | 第26-28页 |
3.2 基于视觉的移动机器人静态避障 | 第28-35页 |
3.2.1 栅格法移动机器人全局避障 | 第28-30页 |
3.2.2 人工势场法的移动机器人避障 | 第30-32页 |
3.2.3 栅格势场法移动机器人避障路径规划 | 第32-33页 |
3.2.4 实验结果分析与结论 | 第33-35页 |
3.3 基于视觉的移动机器人动态避障路径规划 | 第35-40页 |
3.3.1 算法思想 | 第35-38页 |
3.3.2 实验结果与结论 | 第38-40页 |
3.4 本章小结 | 第40-42页 |
4 多机器人协作围捕研究 | 第42-51页 |
4.1 协作多机器人系统 | 第42-44页 |
4.2 研究平台的系统模型 | 第44-45页 |
4.3 研究平台的智能决策结构 | 第45-46页 |
4.4 追捕-逃避问题 | 第46-49页 |
4.4.1 追捕-逃避问题研究现状 | 第46-47页 |
4.4.2 问题描述 | 第47-48页 |
4.4.3 追捕者围捕策略算法描述 | 第48页 |
4.4.4 逃避者躲避策略算法描述 | 第48-49页 |
4.5 实验结果与结论 | 第49-50页 |
4.6 本章小结 | 第50-51页 |
5 移动机器人路径跟踪研究初步 | 第51-65页 |
5.1 变结构滑模控制简介 | 第52-59页 |
5.1.1 滑模控制的历史与发展 | 第52-53页 |
5.1.2 滑模控制的基本原理 | 第53-56页 |
5.1.3 变结构滑模控制基本设计方法归纳 | 第56-58页 |
5.1.4 抖动现象的产生及消除方法 | 第58-59页 |
5.2 双轮移动机器人运动学模型 | 第59-61页 |
5.3 两轮移动机器人滑模控制器设计 | 第61-64页 |
5.3.1 Lyapunov 方法滑模控制器 | 第61-63页 |
5.3.2 趋近律方法滑模控制器 | 第63-64页 |
5.4 初步的实验结果与结论 | 第64页 |
5.5 本章总结 | 第64-65页 |
6 总结与展望 | 第65-67页 |
致谢 | 第67-69页 |
参考文献 | 第69-73页 |
附录(攻读学位期间发表的论文目录) | 第73页 |
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