自主移动机器人路径规划与运动控制的研究与实现

论文摘要

移动机器人技术是一项具有重大应用前景的前沿技术,从人类科学的高、精、尖领域到生产和日常生活方面都已体现出对移动机器人的需求。由于现代工业生产正朝着高效和高柔性的方向发展,所以工业生产领域对具有高智能移动机器人的需求显得尤为迫切。自主路径规划和运动控制技术是移动机器人研究中的关键技术。研究表明,针对复杂的动态环境,采用单一的方法来解决移动机器人路径规划问题往往得不到理想的结果,而将两种及以上的方法相结合来解决此类问题可以取得良好的效果。在这种思想的指导下,本文将行为动力学的方法和滚动窗口路径规划算法结合起来,提出了一种基于行为动力学的滚动窗口路径规划方法,并将其应用到动态不确定环境下移动机器人的路径规划问题中,最后通过计算机仿真和实验验证了该方法的有效性。本文的主要工作如下:(1)提出一种基于行为动力学的滚动窗口路径规划方法来解决未知动态环境下的移动机器人路径规划问题。该规划方法在针对局部环境进行实时路径规划的同时兼顾了全局目标这一全局信息,在局部规划中体现了全局优化,同时导航行为动力学模型使得路径规划具有良好的连续性。(2)针对局部规划窗口中的多个障碍物,提出一种多障碍物虚拟合成方法,将多个障碍物合成得到一个虚拟障碍物。这种方法减小了障碍物处理的计算量,便于避障行为动力学模型中相关参数的选择和计算,同时也比较符合实际情况。(3)针对局部规划窗口中的动态障碍物,提出一种动态障碍物的“静化”处理方法,经过“静化”处理后的,先前的动态障碍物被短时看作一个体积较大的静态障碍物。这种处理方法不仅简化了计算,而且也降低了问题的难度。(4)针对一种四轮全方位移动机器人,建立了其运动学模型。(5)以全方位移动机器人AGV—1为硬件基础,研究了本文提出的基于行为动力学的滚动窗口路径规划方法的实现问题,进行了相关应用程序的开发工作,并对路径规划方法和运动学模型的有效性进行了仿真验证和实验验证,验证结果良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究移动机器人的意义
• 1.2 移动机器人路径规划和运动控制的国内外研究现状
• 1.2.1 移动机器人路径规划的国内外研究现状
• 1.2.2 移动机器人运动控制的国内外研究现状
• 1.3 本文研究内容和目的
• 2 基于行为动力学的移动机器人滚动窗口路径规划方法
• 2.1 引言
• 2.2 滚动窗口路径规划方法
• 2.2.1 滚动窗口路径规划的原理
• 2.2.2 结果和不足
• 2.3 基于行为动力学的滚动窗口路径规划方法
• 2.3.1 问题的描述与定义
• 2.3.2 基于行为动力学的滚动路径规划的原理与算法
• 2.3.3 对多障碍物状况下的虚拟向量合成法
• 2.4 行为动力学模型
• 2.4.1 非线性动力学相关理论
• 2.4.2 导航行为动力学模型的建立
• 2.5 环境信息的获取
• 2.6 仿真计算结果
• 2.7 本章小结
• 3. 四轮全方位轮式移动机器人的运动控制
• 3.1 引言
• 3.2 移动机器人运动控制研究的分类
• 3.3 非全方位和全方位WMR
• 3.3.1 非全方位WMR
• 3.3.2 全方位WMR
• 3.4 四轮全方位移动机器人运动学建模
• 3.4.1 四轮全方位WMR运动学模型的建立
• 3.5 四轮全方位WMR路径跟踪的控制模型
• 3.6 本章小结
• 4 四轮全方位移动机器人路径规划和运动控制的实现
• 4.1 引言
• 4.2 四轮全方位移动机器人硬件组成及控制结构
• 4.2.1 四轮全方位移动机器人硬件组成及其功能
• 4.2.2 四轮全方位移动机器人控制结构
• 4.3 应用程序的开发
• 4.3.1 应用程序的主要界面
• 4.3.2 应用程序的软件流程
• 4.4 路径规划及运动控制算法实验及其结果分析
• 4.4.1 实验目的和任务
• 4.4.2 实验过程
• 4.4.3 实验结果及其分析
• 4.5 本章小结
• 5. 总结和展望
• 5.1 研究总结
• 5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 攻读硕士学位期间发表的论文