半自主偵察機器人監(jiān)控系統(tǒng)研究.pdf

1、偵察機器人是用于進入情況不明、人員無法接近或高度危險區(qū)域執(zhí)行偵察任務的機器人，操作員通過人一機器人交互接口監(jiān)視機器人的姿態(tài)和工作狀態(tài)，遠程操縱機器人從事偵察、采樣和處理現(xiàn)場高危性事件等工作。本文結合霍英東教育基金項目“基于多傳感器信息融合的遙操作機器人建模與控制技術”以及與南京軍區(qū)裝備部合作研制“遠程遙控核化偵察機器人”的需要，重點研究半自主偵察機器人中的自主行為及其協(xié)調機制、偵察事務規(guī)劃、人-機器人交互技術和基于多代理的監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)方

2、法。 分析了半自主核化偵察機器人的功能需求，建立了機器人車體的運動模型，給出了基于里程計的定位方法，以及將里程計與姿態(tài)傳感器進行融合的定位方法。設計了一個層次式的、具有模塊化、網(wǎng)絡化、局部智能等特點的電子系統(tǒng)硬件結構。提出了一個融合層次式控制體系和基于行為的控制體系優(yōu)點的混合式半自主偵察機器人體系結構。 提出了一個新穎的基于行為的優(yōu)先級和有限狀態(tài)自動機(FSA)的混合式行為協(xié)調機制，利用行為的優(yōu)先級協(xié)調組合行為內的基本行

3、為完成簡單的任務，利用特定的FSA作為組合行為的選擇器，通過激活或者終止相應的組合行為工作，完成比較復雜的任務?；旌闲袨閰f(xié)調機制的重要特點是可以在需要完成某個特定任務時動態(tài)構建相應的組合行為協(xié)調器。這種方法使得基于行為的機器人能夠完成面向目標的任務。利用這一機制實現(xiàn)了一個自主移向目的地的宏行為，在這一行為的引導下，機器人能夠在具有“陷阱”的環(huán)境中順利到達目的地。仿真和實驗都表明混合行為協(xié)調機制具有良好的魯棒性和簡單性。 針對偵察

4、機器人需要的自主能力，實現(xiàn)了基于模糊推理理論融合多傳感器信息的機器人自主向目標點移動、自主路徑跟蹤、自主搜索和跟蹤目標、車體平衡控制、障礙避讓等行為，仿真和實驗證明這些基本行為能夠實現(xiàn)所需的功能。提出了基本行為動態(tài)優(yōu)先級的概念，實現(xiàn)了基于基本行為動態(tài)優(yōu)先級的組合行為協(xié)調機制，實現(xiàn)了機器人在有障礙的環(huán)境中安全自主地移向目標位置的組合行為和路徑跟蹤組合行為。仿真或者實驗都證明這些基本行為和組合行為都能夠實現(xiàn)所需的功能。探討了基于多傳感器信息

5、融合的履帶式移動機器人爬樓梯的控制方法。 為了解決操作員在偵察現(xiàn)場需要快速進行事務規(guī)劃的問題，提出了基于宏行為的事務描述方法和事務執(zhí)行機制。給出了基本行為、組合行為和宏行為的形式化描述方法。引入了基于RS模型的行為合成運算符合成機器人行為的方法，從而可以形式化地構建偵察機器人的事務描述。實現(xiàn)了一個圖形化的機器人偵察事務規(guī)劃器，使得操作員在偵察現(xiàn)場無需編程，就可以方便構造偵察事務程序。實現(xiàn)了一個能夠解釋和執(zhí)行事務描述的、基于宏行為

6、的事務執(zhí)行器。仿真和實驗結果表明提出的任務描述方法可行，事務執(zhí)行器能夠可靠地完成事務描述所規(guī)定的任務。 針對目前人一機器人接口存在的命令輸入不方便、顯示信息意義含糊、臨場感效果差等缺點，提出了偵察機器人人機界面設計中的安全性、專業(yè)性、適應性等設計要求，分析了人機接口在遠程感知、導航控制、偵察控制和事務規(guī)劃等方面的功能需求，并針對研制核化偵察機器人的需要，設計了一個操作員控制器，具有模擬命令輸入面板和具有三維動態(tài)模擬的監(jiān)控畫面，通

7、過它能夠實時監(jiān)視機器人運動狀態(tài)、姿態(tài)、以及顯示現(xiàn)場實時視頻、音頻，顯示專用化學分析儀器、核輻射測量儀器等傳回的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，方便操作員對車體的運動控制、路徑規(guī)劃、機械手的操作控制等，還實現(xiàn)了一個基于數(shù)字地圖的偵察機器人導航控制器，可以方便地監(jiān)視機器人的運動位置和規(guī)劃機器人的運動路徑。操作員控制器具有命令輸入方便、模擬顯示形象逼真、臨場感好、交互性強的優(yōu)點。 由于半自主偵察機器人是一個復雜的大系統(tǒng)，系統(tǒng)應該具有分布的智能、局部自主和開