水面救援载体监控导航方法的研究与实现

论文摘要

当前,机器人技术在社会各行各业中的应用日益广泛,越来越多地受到国内外学者的关注。水面救援长期以来一直沿用传统模式,随科技进步与文明程度不断提高,其现状已表现得极其不协调,于是迫切需要得到机器人协助,从而真正实现快速、高效要求,最大限度地减少人员伤亡及财产损失。在机器人应用期间,路径规划是关键、环境建模是基础,水面救援的非结构特性促使两者欲意获得圆满解决更加困难重重。水面救援种类繁多、彼此差异甚远,即便将其限定在海滨浴场,也因为潮涨潮落而使得必须解决当前水位淹没对礁石、海岸造成的模型改变;类似地,同样应该针对复杂水面局势、障碍及其他游泳者给救援构成的困难,寻找快速、实用的规划、监控方法。论文在比较深入探讨水面救援典型特性的基础上,建立起整体系统的构造策略,这就是将水面监控、中心调度、救援机器人、救生员和其他后勤服务人员有机地组织起来,使得各自最大限度地发挥出优势。针对海滨潮汐涨落的周期性,结合二维半描述、特征、知识利用和极端情况环境样本定义,在多级递阶指导下建立起参照环境模型,采用时序推理得到当前时刻的具体环境表征。面对确定的救援任务,文章系统地阐述了解决方案。在救援行为规划当中,首先在任务层进行分解、调度、规划,将宏观任务切割成时序相互依从的具体、直接的子任务序列;之后在语义层次利用环境隶属和环境连通关系等知识,实现环境区块进出、环境对象边界参照关系规划;随后,在每个环境区块内部,依据障碍、其他游泳者分布情况运用橡皮筋拉紧方法等获得行走路线定性参照规划;最后按照机器人行驶位置给出定量化轨迹规划。论文探讨了将自由空间法和可视图法运用于水面救援机器人空间层路径规划的可行性,并且通过实验系统地分析了二者优势、适用范围与融为一体的可能性。同时,给出了系统仿真实验结果,指出了尚存不足及今后努力方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 机器人发展概况
• 1.1.1 机器人发展历程
• 1.1.2 当前机器人研究现状
• 1.2 课题研究目的与意义
• 1.3 课题主要内容
• 第二章 救援系统体系结构研究
• 2.1 机器人救援系统主体特性
• 2.2 机器人救援系统关键技术
• 2.2.1 机器人体系结构
• 2.2.2 环境建模
• 2.2.3 路径规划
• 2.2.4 移动机器人定位
• 2.2.5 交互技术
• 2.3 系统核心模块与主体架构
• 2.4 救援船载硬件模块
• 2.5 救援船载实验系统结构
• 2.5.1 实验系统结构划分
• 2.5.2 实验系统软件模块架构
• 2.5.3 系统模块简介
• 第三章 基于2.5D描述与区域分割的环境建模
• 3.1 机器人传统环境建模方法
• 3.1.1 自由空间
• 3.1.2 障碍空间
• 3.1.3 网格法
• 3.1.4 人工势场法
• 3.1.5 拓扑空间法
• 3.2 水面救援对环境建模形成的特殊要求
• 3.2.1 潮汐对环境模型的影响
• 3.2.2 风浪对环境模型的影响
• 3.2.3 水面漂浮物对环境模型的影响
• 3.3 二维半技术
• 3.3.1 应用二维半技术的必要性
• 3.3.2 二维半应用于环境建模的优势
• 3.4 基于二维半描述的环境建模
• 3.4.1 用于机器人环境建模的知识
• 3.4.2 环境单元样本定义
• 3.4.3 图形变换在环境建模中的应用
• 3.4.4 基于知识的环境建模
• 第四章 水面救援多级递阶规划方法研究
• 4.1 水面救援各角色优势对动作规划的作用
• 4.2 多级递阶规划是水面救援迅捷走向实用的关键
• 4.3 高层任务规划与语义规划
• 4.3.1 任务规划
• 4.3.2 语义规划
• 第五章 基于环境整体信息的宏动作规划
• 5.1 水面救援任务调度与分解
• 5.2 基于知识的语义级规划
• 5.3 基于环境整体信息的路径规划
• 5.3.1 基于区域分割的空间级路径规划
• 5.3.2 基于可视图的路径规划算法
• 5.3.3 可视图法与自由空间法的融合
• 第六章 实验系统设计与测试
• 6.1 实验系统简介
• 6.2 系统实验结果
• 6.3 系统测试
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢