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基于动觉智能图式足球机器人运动控制

2020-11-28阅读(595)

基于动觉智能图式足球机器人运动控制

论文摘要

机器人足球是一个新兴的交叉学科,涉及机器人学、智能控制和人工生命等多个领域。机器人足球系统本身是一个多机器人协作自治系统,它为理论研究和模型测试提供了一个标准实验平台。本文基于动觉智能图式的仿人智能控制理论,采用了两种机器人足球系统（RoboCup中型足球机器人系统和FIRA MiroSot小型足球机器人系统）对两轮轮式机器人的运动控制进行研究。针对足球机器人运动控制系统的设计实现,主要进行了如下研究工作:①应用基于动觉智能图式的仿人智能控制理论（SMIS-HSIC理论）,从建立感知-关联-运动图式的角度,完成了足球机器人运动控制系统分层递阶的总体设计。②基于感知图式的理念,建立了足球机器人的全景、前向视觉系统和里程计系统的定性定量模型;特别针对单目视觉定位,提出了一种完整的坐标变换模型和一种新型的基于进化计算的模型参数辩识方法,解决了机器人感知系统模型的精确辨识问题。③采用机理建模和仿人智能控制的“类等效”模型简化,建立了足球机器人运动执行系统的一种新型非线性状态空间模型,并以该模型为基础建立了用于机器人基本运动控制设计的仿真研究平台。④提出了基于运动约束和几何约束的移动机器人基本运动构成方法,并对具有非完整性约束的两轮轮式机器人设计了一组基本运动控制的运动图式;特别对其中的点镇定控制提出了基于分段比例和基于轮速增量的SMIS-HSIC控制算法。⑤从关联的基本形式出发,提出了多种具体关联结构,设计了足球机器人包括感知图式和运动图式间的各类关联,完成了对基本运动控制的选择和时空规划,解决了单个足球机器人运动控制决策问题。⑥将多机器人协调视为更高阶的关联,提出了基于意图的多机器人协调机制,将意图作为基本的协调信息引入到单个足球机器人的运动控制决策中,实现了足球机器人的多机器人协调控制。通过上述工作,本文针对足球机器人系统这一多传感器、多控制量、非线性、强干扰、协作对抗环境下的复杂系统运动控制问题,基于动觉智能图式的仿人智能控制理论,设计实现了实际系统的运动控制。通过对实际机器人的控制证实了本文运动控制的有效性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪 论
  • 1.1 研究背景和研究意义
  • 1.2 足球机器人系统运动控制问题描述
  • 1.3 研究内容、研究现状和存在的问题
  • 1.3.1 机器人基本运动控制
  • 1.3.2 机器人感知
  • 1.3.3 机器人体系结构
  • 1.3.4 多机器人协调机制
  • 1.4 基于动觉智能图式智能理论研究足球机器人系统运动控制
  • 1.4.1 SMIS-HSIC 理论发展概况
  • 1.4.2 SMIS-HSIC 理论与人工智能三大研究流派
  • 1.4.3 基于 SMIS-HSIC 理论的足球机器人系统研究
  • 1.5 论文构成
  • 2 足球机器人运动控制系统总体设计
  • 2.1 研究平台与设计目标
  • 2.1.1 RoboCup Middle-Size League 足球机器人比赛系统
  • 2.1.2 FIRA MiroSot 足球机器人比赛系统
  • 2.1.3 足球机器人系统运动控制设计目标
  • 2.2 SMIS-HSIC 理论与系统的研究方法和设计原则
  • 2.2.1 图式理论
  • 2.2.2 SMIS-HSIC 理论
  • 2.2.3 SMIS-HSIC 设计理论
  • 2.2.4 足球机器人运动控制系统的研究方法和设计原则
  • 2.3 系统总体设计及需要解决的关键问题
  • 2.3.1 感知图式系统
  • 2.3.2 运动图式系统
  • 2.3.3 关联图式系统
  • 2.4 本章小结
  • 3 感知图式与足球机器人基本感知
  • 3.1 世界坐标系和机器人坐标系
  • WOWYW'>3.1.1 世界坐标系 XWOWYW
  • RORYR'>3.1.2 机器人坐标系 XRORYR
  • 3.2 里程计系统
  • 3.2.1 里程计工作原理和计算方法
  • MOMYM'>3.2.2 里程计坐标系 XMOMYM
  • 3.2.3 里程计感知特点
  • 3.3 前向视觉系统
  • LVOLVYLV'>3.3.1 前向视觉系统和前向视觉坐标系 XLVOLVYLV
  • 3.3.2 前向视觉坐标系到机器人坐标系坐标系变换
  • 3.3.3 实验及数据分析
  • 3.3.4 前向视觉感知特点
  • 3.4 全景视觉系统
  • PVOPVYPV'>3.4.1 全景视觉系统和全景视觉坐标系 XPVOPVYPV
  • 3.4.2 全景视觉坐标系和机器人坐标系变换
  • 3.4.3 全景视觉感知特点
  • 3.5 本章小结
  • 4 运动图式与足球机器人基本运动
  • 4.1 机器人运动执行系统
  • 4.1.1 机器人运动系统机理模型
  • 4.1.2 类等效模型简化
  • 4.1.3 参数辨识
  • 4.1.4 系统运动仿真
  • 4.1.5 小结
  • 4.2 基于机器人运动约束和几何约束的基本运动
  • 4.2.1 基于机器人几何约束和运动约束的基本运动集合构成方法
  • 4.2.2 足球机器人的基本运动集合
  • 4.2.3 开环运动控制算法
  • 4.2.4 转向给定方向控制算法
  • 4.2.5 常用到定点控制算法及其存在的问题
  • 4.3 基于分段比例 SMIS‐HSIC 点镇定控制（MP‐SMIS‐HSIC）
  • 4.3.1 控制器结构设计
  • 4.3.2 控制器参数整定优化
  • 4.3.3 仿真实验
  • 4.3.4 实时控制实验
  • 4.4 基于轮速增量 SMIS‐HSIC 点镇定控制（INC‐SMIS‐HSIC）
  • 4.4.1 运动执行系统分析
  • 4.4.2 控制器设计
  • 4.4.3 实验设计
  • 4.4.4 实验数据分析
  • 4.5 本章小结
  • 5 关联图式与足球机器人运动控制
  • 5.1 基于 SMIS-HSIC 理论的关联
  • 5.1.1 关联的基本形式
  • 5.1.2 感知图式内部的关联
  • 5.1.3 运动图式内部的关联
  • 5.1.4 感知图式与运动图式间的关联
  • 5.2 足球机器人基本动作实现
  • 5.2.1 基本动作设计
  • 5.2.2 基于里程计的基本动作
  • 5.2.3 基于前向视觉的基本动作
  • 5.2.4 基于全景视觉的基本动作
  • 5.2.5 其他基本动作
  • 5.3 足球机器人意图实现
  • 5.3.1 基本设计
  • 5.3.2 时序关联实例:归位找球意图
  • 5.3.3 直接关联实例:抢球射门意图
  • 5.3.4 混合形式的关联实例:避障射门意图
  • 5.4 单个机器人的运动控制
  • 5.5 多机器人协调
  • 5.5.1 态势-方案层
  • 5.5.2 意图层
  • 5.5.3 应用实例
  • 5.6 本章小结
  • 6 总结与展望
  • 6.1 主要研究工作总结
  • 6.2 论文主要创新点
  • 6.3 结论
  • 6.4 研究展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  • 附录A 作者在攻读学位期间发表的论文目录
  • 附录B 作者在攻读学位期间参加的科研项目
  • 附录C 作者在攻读学位期间参加的足球机器人比赛情况
  • 附录D 作者在攻读学位期间获得的奖励
  • 附录E RoboCup 比赛的主要技术规定

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