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[学位]

轮式移动机器人的建模及其智能控制研究

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Author:

李艳 (李艳.)

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Abstract:

移动机器人是机器人学的一个重要分支,其研究工作始于20世纪60年代,它是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。相对固定式机器人、机械手,移动机器人的应用范围和功能都大为拓展和提高,因而在工业、国防、服务行业等方面得到广泛应用,对其研究也越来越受到更多的重视。在所有不同行走类型的移动机器人中,轮式移动机器人由于机构简单、节能、自由度少、容易控制,更具有实用的可能性,因而得以“重用”。随着计算机、通讯及控制技术的不断发展,人们正在寻找各种方法尽最大可能地利用移动机器人、自主车等移动载体来代替人类完成一些重复、简单、危险的任务。移动机器人要想实现真正的智能自主运动,必须具备自定位技术、智能运动控制技术和具有自学习能力的完善机制。本文就提高移动机器人的机动灵活性及智能化这一主题结合现有的实验条件进行了系统的研究,主要的研究工作有:(1) 建立了进行实验用的移动机器人的开放式智能控制系统,该系统的硬件平台采用了实现最为方便、功能最为强大、性能最为可靠的基于PC+DSP控制模式。针对开放式控制结构的硬件系统,开发了相应的软件系统。对移动机器人的关键子系统-定位系统进行了研究,分析了定位误差来源。重点对系统误差的产生和校正方法进行了研究,实验结果表明了校正的有效性。为减小相对定位测量方法的误差,基于航位推算模型采用Kalman滤波算法对传感器测量数据进行信息融合,使移动机器人定位精度和可靠性得到进一步提高,并利用激光全局定位系统进行了验证。(2) 总结了轮式移动机器人的结构特点及建模,针对由常规轮所构成的包含有可操舵轮的几类移动机器人的运动学建模问题,利用坐标变换法,提出了一种解决具有可操舵轮的移动机器人运动学建模问题的通用方法,建立了它在满足理想运动约束条件下的正运动学模型,同时推导了相应的逆运动学模型。以2个可操舵驱动轮的3自由度移动机器人为例,利用Kane方法建立了在理想运动条件下的动力学模型,为进一步设计跟踪控制器的研究提供了理论依据。(3) 采用逆系统方法来解决了具有2个可操舵驱动轮的移动机器人的一般非线性系统的运动跟踪控制问题。在证明了该系统可逆的前提下,利用逆系统方法获得实现系统输入、输出线性解耦的伪线性复合系统。考虑到实际应用的可能性,根据神经网络 -阶逆系统方法思想,利用BP静态多层前馈网络的非线性逼近能力及积分器的动态特性来构造了移动机器人的逆系统,从而实现了该系统的线性化解耦,将3自由度移动机器人跟踪问题转化为线性控制跟踪问题,仿真实验验证了所提出方法的有效性。(4) 为克服在实际应用中由于移动机器人的结构误差、测量噪声、环境扰动等因素的影响,提出了采用模糊逻辑方法来设计机器人的跟踪控制器。并利用遗传算法的全局搜索能力同时对控制器的控制规则和参数进行优化,实现了一般复杂系统的T-S模糊控制器优化设计。通过仿真和实验验证了该模糊跟踪控制器的良好性能。(5) 为了进一步提高移动机器人在执行任务过程中适应外界环境的能力和自学习能力,提出了一种基于再励学习的自适应模糊神经网络控制器设计方法。该方法在实时控制过程中,根据内部再励信号在线修正评判网络的权系数和执行器网络的参数,有效地提高了移动机器人的适应环境能力和跟踪控制精度。通过仿真和实验验证了移动机器人的自适应能力和跟踪性能得到了改善。(6) 为解决移动机器人及自主车的自动导航问题,提出了利用基于导航基线目标特征的双种群遗传算法来实现移动机器人、自主车对导引线的辨识,根据逆透视映射关系分析了位姿偏差,最后采用基于模糊推理自校正的PID控制器来实现纠偏。为了加快视觉系统识别中的图像处理过程,直接对输入原始图像信息进行处理和解释,大大地缩短了时间,满足了移动机器人实时控制要求。经实际图像和视觉导航实验验证了该方法在实时控制中的有效性和可行性,论证了该方法对具有一定形状特征的目标对象识别的可行性和稳定性以及对于包括干扰物等环境噪声的鲁棒性。

Keyword:

移动机器人开放式智能系统逆系统方法遗传算法再励学习控制基于目标特征的模式匹配视觉导航

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学机械工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 林廷圻

Year: 2005

Language: Chinese

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30 Days PV: 10

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