多節(jié)履帶式搜索機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，人類對地球高強(qiáng)度開發(fā)所導(dǎo)致的負(fù)面危害也日益凸顯，各種自然災(zāi)害和與人為事故給世界各國帶來了巨大損失。災(zāi)難發(fā)生后，第一時(shí)間進(jìn)入救援現(xiàn)場展開救援是最大程度降低損失的最關(guān)鍵因素。受到自身生理?xiàng)l件限制，在某些場合救援人員不能很快進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場，因此開發(fā)應(yīng)用于災(zāi)難以及危險(xiǎn)區(qū)域搜索的機(jī)器人就顯得至關(guān)重要。從上個(gè)世紀(jì)末開始，各國科學(xué)家已經(jīng)著手研究災(zāi)難搜索機(jī)器人，并研制出了機(jī)器人樣機(jī)，在一些災(zāi)難事故中進(jìn)行了應(yīng)用。但受到技術(shù)條件

2、等多方面限制，到目前為止，搜索機(jī)器人仍有許多不足，成功應(yīng)用的案例幾乎沒有。在上述背景下，本文對一種多節(jié)履帶式搜索機(jī)器人地面作用力學(xué)模型、運(yùn)動軌跡控制方法、自動越障規(guī)劃、定位與地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃等一些運(yùn)動規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以期在科學(xué)性和功能性上推動災(zāi)難搜索機(jī)器人的研究進(jìn)展。
　　由于多節(jié)履帶式機(jī)器人是一種非完整約束的移動機(jī)器人，采用增加虛擬構(gòu)件并結(jié)合D-H參數(shù)的方法建立機(jī)器人的平面運(yùn)動學(xué)模型，并對相應(yīng)的速度雅克比矩陣進(jìn)行求解。在

3、履帶與地面作用計(jì)算力學(xué)基礎(chǔ)上，建立單節(jié)履帶與地面作用模型。然后在考慮鉸接關(guān)節(jié)作用力的情況下，建立多節(jié)履帶式機(jī)器人的平面動力學(xué)方程。
　　以機(jī)器人平面運(yùn)動學(xué)為基礎(chǔ)，提出一種基于李雅普諾夫函數(shù)的運(yùn)動軌跡控制方法。針對機(jī)器人運(yùn)動中的滑移參數(shù)不確定問題，提出一種基于滑模觀測器的滑移率和滑移角估計(jì)方法，并將非支配分類粒子群方法用于滑模觀測器的增益優(yōu)化，提高估計(jì)精度。通過圓軌跡跟蹤的仿真實(shí)驗(yàn)與半圓軌跡跟蹤的實(shí)驗(yàn)證明方法的有效性。
　　依

4、據(jù) MTSR-HIT機(jī)器人結(jié)構(gòu)，建立其翻越垂直障礙的運(yùn)動學(xué)模型，并對其越障能力進(jìn)行分析。同時(shí)設(shè)計(jì)一種基于嵌套人工魚群算法的機(jī)器人自動雙節(jié)越障規(guī)劃方法，使得機(jī)器人能夠根據(jù)垂直障礙物的高度解算出每一步驟中相應(yīng)的關(guān)節(jié)角度值，使之滿足整個(gè)過程中所有關(guān)節(jié)角度值的變化量最小這一能量消耗最優(yōu)指標(biāo)。此外，又利用弗格森樣條對各關(guān)節(jié)角度進(jìn)行軌跡平滑，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
　　針對災(zāi)難后環(huán)境的不確定性，提出一種基于多超聲波傳感器的地圖構(gòu)建方法。首先建立

5、單個(gè)超聲波傳感器的三區(qū)域柵格模型，然后對需要融合的證據(jù)進(jìn)行近似處理，再利用D-S證據(jù)理論（Dempster-Shafter evidence theory）進(jìn)行融合，消除反直覺現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)對未知環(huán)境的地圖構(gòu)建。為了準(zhǔn)確獲取機(jī)器人的位置信息，提出一種基于改進(jìn)粒子濾波器的移動機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建(SLAM，Simultaneous Localization And Mapping)方法，通過人工魚群算法對機(jī)器人的位置進(jìn)行二次更新，并利

6、用定向重采樣的思想解決粒子退化問題，提高定位與地圖構(gòu)建的精度。
　　為了使機(jī)器人快速進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域，提出一種基于改進(jìn)遺傳算法的全局路徑規(guī)劃方法，利用位置信息負(fù)反饋的思想改進(jìn)遺傳算法中種群初始化的方法，并自適應(yīng)地調(diào)整交叉和變異概率，從而提高算法的效率，獲得全局最優(yōu)路徑。然后，根據(jù)檢測到的障礙物柵格變化情況，在全局路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種局部路徑規(guī)劃方法，以建立的MTSR-HIT機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行搜索實(shí)驗(yàn)研究，對機(jī)