自主移動機器人導航安全與行為涌現(xiàn)問題研究.pdf

1、隨著智能機器人逐漸融入人類的生活和工作，人類與具有不同程度智能的自主機器人交互式工作正成為必然趨勢。但是，由于人機交互機會增多，以及機器人控制缺陷和人類的誤操作，出現(xiàn)了非常多的機器人導致人類受傷的案例。工業(yè)機器人安全標準修訂速度的加快，經(jīng)典導航方法被證實存在安全隱患，說明安全問題是自主機器人應用發(fā)展面臨的重要問題。
　　導航控制是自主機器人研究的基本問題，但是由于未知環(huán)境的復雜、動態(tài)和不確定性，安全導航控制仍然是開放性難題。由于機

2、器人導航控制的安全問題是一個綜合性問題，需要從導航控制方法、環(huán)境感知表示方法、控制協(xié)調(diào)等多方面著手才能提高機器導航的安全性。本文研究自主移動機器人導航的安全與行為涌現(xiàn)問題。以基于行為的機器人控制理論為基礎，以行為動力學方法為導航算法，以導航的安全為主要研究內(nèi)容，分別針對行為動力學導航方法、障礙物的表示和環(huán)境感知、行為協(xié)調(diào)控制、環(huán)境存在的不可避免碰撞狀態(tài)分別進行研究，旨在提出一種較為全面的自主移動機器人安全解決辦法。涌現(xiàn)行為是多個基本反射

3、行為執(zhí)行序列復雜的組合，發(fā)現(xiàn)涌現(xiàn)行為是研究復雜行為安全性的前提，在研究自主機器人安全導航的同時，進而討論由基本反射行為組成的導航行為是否存在復雜外顯的涌現(xiàn)行為，并針對一種因行為協(xié)調(diào)抖動而形成的涌現(xiàn)行為進行了優(yōu)化。本文主要研究內(nèi)容如下：
　　1.經(jīng)典行為動力學導航方法的改進。行為動力學導航方法是一種基于行為的機器人導航控制的經(jīng)典方法，在闡述基于行為的機器人設計方法時，證實經(jīng)典行為動力學導航方法存在航向角吸引子在導航過程中隨時變化的問

4、題，當吸引子隨時變化時，將增大控制難度，一般經(jīng)典行為動力學導航方法要求機器人以較低低速運動，保證吸引子在導航中近似不變，限制了其應用范圍。為此，提出一種航向角跟隨控制方法，可以提高行為動力學導航控制機器人導航的線速度，并可以避免機器人的航向角在吸引子周圍抖動，同時可以揭示航向角和線速度控制存在內(nèi)在聯(lián)系。仿真研究表明，提出的改進方法可以保證移動機器人達到實際需要的線速度。
　　2.障礙物描述和環(huán)境表示方法研究。障礙物描述和環(huán)境表示為

5、導航控制提供輸入信息，準確可靠的信息輸入是導航安全的前提。經(jīng)典的基于位置、速度信息的障礙物描述不能保證安全導航的需要，在障礙物描述時應該體現(xiàn)障礙物的運動趨勢、障礙物的遮蔽區(qū)域和碰撞危險程度等信息，才能更好地保證機器人在未知動態(tài)環(huán)境中安全導航。為此，提出可感知速度障礙物描述方法，該方法包括障礙物運動預測和障礙物遮蔽區(qū)域描述；在此基礎上，提出一種接觸時間空間環(huán)境表示方法，該方法利用接觸時間表示碰撞危險程度；由于傳感器感知環(huán)境存在誤差，提出一

6、種接觸時間一占據(jù)濾波減小環(huán)境感知誤差，為機器人安全導航提供可靠的環(huán)境描述信息。仿真研究表明，提出的環(huán)境表示方法可以有效地提高機器人導航的安全性。
　　3.導航行為協(xié)調(diào)控制研究。導航行為是利用基本反射行為控制機器人到達規(guī)定目標位置過程的整體行為，導航行為需要在機器人導航過程中通過行為協(xié)調(diào)控制方法組織基本反射行為的執(zhí)行來實現(xiàn)。復雜的協(xié)調(diào)控制會增大機器人的控制難度，例如出現(xiàn)類似“局部最小值”等問題。為此，提出一種學習自動機行為協(xié)調(diào)方法，

7、通過學習決策時間控制保證行為協(xié)調(diào)的實時性，通過行為動機控制動態(tài)調(diào)節(jié)學習自動機的學習速率，保證每一時刻僅有一個基本反射行為被執(zhí)行，這樣行為協(xié)調(diào)控制結(jié)果是最簡單的，降低了機器人控制的難度。仿真研究表明，提出的行為協(xié)調(diào)控制方法可以有效地解決經(jīng)典行為動力學導航方法中存在的航向角“偽吸引子”問題，提高了機器人的導航安全性。
　　4.導航中不可避免碰撞狀態(tài)獲取研究。在機器人導航過程中，存在一種無論機器人做何種控制操作，都將最終與障礙物發(fā)生碰撞

8、的狀態(tài)，即不可避免碰撞狀態(tài)。只有獲取該狀態(tài)，并增加到環(huán)境表示中才能保證機器人導航的安全性。為此，提出利用混合系統(tǒng)理論獲取不可避免碰撞狀態(tài)的方法，給出不可避免碰撞狀態(tài)等概念在混合系統(tǒng)理論描述的基本定義，證實不可避免碰撞狀態(tài)是混合系統(tǒng)理論中以障礙物為目標形成的最大嚴格可達集，并利用水平集及時變哈密頓一雅克比方程的求解方法獲得不可避免碰撞狀態(tài)計算方法。仿真研究表明，提出的方法可以保證機器人在運動過程中實時獲取不可避免碰撞狀態(tài)，增強障礙物描述，

9、使機器人導航更加安全。
　　5.涌現(xiàn)行為的發(fā)現(xiàn)及優(yōu)化研究。機器人在導航過程中與環(huán)境交互時，由于環(huán)境的復雜多變，機器人也同樣會表現(xiàn)出復雜多變的外顯性涌現(xiàn)行為，這種無法事先設計的行為需要在機器人導航時發(fā)現(xiàn)，并總結(jié)其執(zhí)行規(guī)律，保證綜合行為是安全可靠的。為此，利用遞歸圖方法定性分析機器人導航的航向角時間序列，證實當每一時刻僅有簡單反射行為執(zhí)行時，機器人同樣會產(chǎn)生復雜的涌現(xiàn)行為；提出利用預測信息更新一階白回歸方程參數(shù)實時探測導航過程中機器人