迷宫机器人控制及避碰算法研究

论文摘要

机器人的研究涉及到自动控制、机械工程、电子技术、计算机技术等许多学科,是一门多学科的综合科学。随着智能机器人走进人们的日常生活,在军事、商场、医院、家庭等各种领域发挥着重要作用,人们对智能机器人系统的需求越来越迫切,机器人研究也进入了崭新的发展阶段。迷宫机器人控制系统是迷宫机器人的运动控制部件,对机器人的平稳运行起着重要的作用。机器人要实现高速、高精度的位置控制和轨迹跟踪,必须依赖先进的控制策略和优良的运动控制系统。本文对迷宫机器人的总体设计、控制系统理论的分析研究、避障算法等内容从理论上进行了较全面的研究。迷宫机器人的最大特点是:通过自身对外界环境信息的感知、获取、处理,并反馈给控制系统,以控制迷宫机器人的行动与行为,实现某些预定的任务。对智能机器人的发展历史和研究动向做了简要的回顾和展望,简要介绍了迷宫机器人的结构、组成和功能,并对差速驱动的三轮式迷宫机器人进行了运动学分析以及定位计算。同时还从迷宫机器人的运动学模型出发,设计了伪线性、最优、非线性等多种控制律,并进行了计算机仿真和比较。根据路径跟踪控制的需要,选择了模糊控制的方式来改善了控制系统的性能。本文还使用了超声波传感器对迷宫机器人周围的环境进行探测,并且利用单片机技术对超声波传感器所探得的障碍物信息进行处理,提出一种新颖的模式识别算法用于迷宫机器人的自主避障。通过应用一定量的模糊规则与FKCN（模糊Kohonen聚类网络）的结合,生成了一种启发式的模糊神经网络,并且通过对该模糊神经网络进行离线的非监督式训练,建立起了超声波传感器输入信号和迷宫机器人速度之间的模式映射关系,从而实现了迷宫机器人连续快速的避障。最后,为了验证以上方法的可行性,通过Visual C++编程软件在计算机上作了各种避障情况的仿真,为进一步深入研究迷宫机器人打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 机器人的发展概述
• 1.1.1 国外机器人的发展
• 1.1.2 国内机器人的发展
• 1.2 机器人设计的主要问题
• 1.2.1 机器人机构
• 1.2.2 迷宫机器人的体系结构
• 1.2.3 迷宫机器人避障的研究
• 1.2.4 路径规划的研究
• 1.2.5 避障过程中环境探测
• 1.2.6 避障过程中所采用的控制算法
• 1.3 论文选题的意义和研究内容
• 1.3.1 课题研究的意义
• 1.3.2 开发背景
• 1.3.3 研究内容与方法
• 第2章 迷宫机器人的设计方案
• 2.1 迷宫机器人的结构方案的确定
• 2.2 传感及控制电路设计
• 2.2.1 传感器的选择
• 2.2.2 单片机的选择
• 2.2.3 电机控制模块
• 2.2.4 电机驱动模块
• 2.2.5 超声波测距模块
• 2.3 本章小结
• 第3章 机器人建模及运动控制系统设计
• 3.1 迷宫机器人的建模
• 3.2 机器人的定位分析
• 3.3 迷宫机器人的运动控制系统设计
• 3.3.1 基于伪线性系统的控制
• 3.3.2 非线性反馈控制
• 3.4 本章小结
• 第4章 迷宫机器人避障的控制策略
• 4.1 迷宫机器人避障控制算法概述
• 4.1.1 迷宫机器人避障的模糊控制
• 4.1.2 迷宫机器人避障的人工神经网络控制
• 4.2 一种新颖的模糊神经控制算法用于迷宫机器人的避障
• 4.2.1 基于FKCN的避障系统
• j和原型模式个数c的确定'>4.2.2 距离层权值向量W_j和原型模式个数c的确定
• i与控制输出R_i映射关系的方法'>4.2.3 用于确定传感器输入S_i与控制输出R_i映射关系的方法
• 4.2.4 处理特殊情况的避障安全模式
• 4.2.5 处理特殊情况的避障特殊模式
• 4.3 本章小结
• 第5章 迷宫机器人的避障的软件仿真
• 5.1 仿真程序的设计流程及实现
• 5.1.1 总体设计过程及思想
• 5.1.2 每一模块的功能及其实现
• 5.1.3 类的说明及实现
• 5.1.4 动态仿真动画的实现
• 5.1.5 具体功能及其设计与实现
• 5.2 仿真平台界面
• 5.3 运用该软件对避障进行模拟仿真分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历