自主移動機(jī)器人導(dǎo)航安全與行為涌現(xiàn)問題研究.pdf

1、隨著智能機(jī)器人逐漸融入人類的生活和工作，人類與具有不同程度智能的自主機(jī)器人交互式工作正成為必然趨勢。但是，由于人機(jī)交互機(jī)會增多，以及機(jī)器人控制缺陷和人類的誤操作，出現(xiàn)了非常多的機(jī)器人導(dǎo)致人類受傷的案例。工業(yè)機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)修訂速度的加快，經(jīng)典導(dǎo)航方法被證實(shí)存在安全隱患，說明安全問題是自主機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展面臨的重要問題。
　　導(dǎo)航控制是自主機(jī)器人研究的基本問題，但是由于未知環(huán)境的復(fù)雜、動態(tài)和不確定性，安全導(dǎo)航控制仍然是開放性難題。由于機(jī)

2、器人導(dǎo)航控制的安全問題是一個綜合性問題，需要從導(dǎo)航控制方法、環(huán)境感知表示方法、控制協(xié)調(diào)等多方面著手才能提高機(jī)器導(dǎo)航的安全性。本文研究自主移動機(jī)器人導(dǎo)航的安全與行為涌現(xiàn)問題。以基于行為的機(jī)器人控制理論為基礎(chǔ)，以行為動力學(xué)方法為導(dǎo)航算法，以導(dǎo)航的安全為主要研究內(nèi)容，分別針對行為動力學(xué)導(dǎo)航方法、障礙物的表示和環(huán)境感知、行為協(xié)調(diào)控制、環(huán)境存在的不可避免碰撞狀態(tài)分別進(jìn)行研究，旨在提出一種較為全面的自主移動機(jī)器人安全解決辦法。涌現(xiàn)行為是多個基本反射

3、行為執(zhí)行序列復(fù)雜的組合，發(fā)現(xiàn)涌現(xiàn)行為是研究復(fù)雜行為安全性的前提，在研究自主機(jī)器人安全導(dǎo)航的同時，進(jìn)而討論由基本反射行為組成的導(dǎo)航行為是否存在復(fù)雜外顯的涌現(xiàn)行為，并針對一種因行為協(xié)調(diào)抖動而形成的涌現(xiàn)行為進(jìn)行了優(yōu)化。本文主要研究內(nèi)容如下：
　　1.經(jīng)典行為動力學(xué)導(dǎo)航方法的改進(jìn)。行為動力學(xué)導(dǎo)航方法是一種基于行為的機(jī)器人導(dǎo)航控制的經(jīng)典方法，在闡述基于行為的機(jī)器人設(shè)計(jì)方法時，證實(shí)經(jīng)典行為動力學(xué)導(dǎo)航方法存在航向角吸引子在導(dǎo)航過程中隨時變化的問

4、題，當(dāng)吸引子隨時變化時，將增大控制難度，一般經(jīng)典行為動力學(xué)導(dǎo)航方法要求機(jī)器人以較低低速運(yùn)動，保證吸引子在導(dǎo)航中近似不變，限制了其應(yīng)用范圍。為此，提出一種航向角跟隨控制方法，可以提高行為動力學(xué)導(dǎo)航控制機(jī)器人導(dǎo)航的線速度，并可以避免機(jī)器人的航向角在吸引子周圍抖動，同時可以揭示航向角和線速度控制存在內(nèi)在聯(lián)系。仿真研究表明，提出的改進(jìn)方法可以保證移動機(jī)器人達(dá)到實(shí)際需要的線速度。
　　2.障礙物描述和環(huán)境表示方法研究。障礙物描述和環(huán)境表示為

5、導(dǎo)航控制提供輸入信息，準(zhǔn)確可靠的信息輸入是導(dǎo)航安全的前提。經(jīng)典的基于位置、速度信息的障礙物描述不能保證安全導(dǎo)航的需要，在障礙物描述時應(yīng)該體現(xiàn)障礙物的運(yùn)動趨勢、障礙物的遮蔽區(qū)域和碰撞危險程度等信息，才能更好地保證機(jī)器人在未知動態(tài)環(huán)境中安全導(dǎo)航。為此，提出可感知速度障礙物描述方法，該方法包括障礙物運(yùn)動預(yù)測和障礙物遮蔽區(qū)域描述；在此基礎(chǔ)上，提出一種接觸時間空間環(huán)境表示方法，該方法利用接觸時間表示碰撞危險程度；由于傳感器感知環(huán)境存在誤差，提出一

6、種接觸時間一占據(jù)濾波減小環(huán)境感知誤差，為機(jī)器人安全導(dǎo)航提供可靠的環(huán)境描述信息。仿真研究表明，提出的環(huán)境表示方法可以有效地提高機(jī)器人導(dǎo)航的安全性。
　　3.導(dǎo)航行為協(xié)調(diào)控制研究。導(dǎo)航行為是利用基本反射行為控制機(jī)器人到達(dá)規(guī)定目標(biāo)位置過程的整體行為，導(dǎo)航行為需要在機(jī)器人導(dǎo)航過程中通過行為協(xié)調(diào)控制方法組織基本反射行為的執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜的協(xié)調(diào)控制會增大機(jī)器人的控制難度，例如出現(xiàn)類似“局部最小值”等問題。為此，提出一種學(xué)習(xí)自動機(jī)行為協(xié)調(diào)方法，

7、通過學(xué)習(xí)決策時間控制保證行為協(xié)調(diào)的實(shí)時性，通過行為動機(jī)控制動態(tài)調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)自動機(jī)的學(xué)習(xí)速率，保證每一時刻僅有一個基本反射行為被執(zhí)行，這樣行為協(xié)調(diào)控制結(jié)果是最簡單的，降低了機(jī)器人控制的難度。仿真研究表明，提出的行為協(xié)調(diào)控制方法可以有效地解決經(jīng)典行為動力學(xué)導(dǎo)航方法中存在的航向角“偽吸引子”問題，提高了機(jī)器人的導(dǎo)航安全性。
　　4.導(dǎo)航中不可避免碰撞狀態(tài)獲取研究。在機(jī)器人導(dǎo)航過程中，存在一種無論機(jī)器人做何種控制操作，都將最終與障礙物發(fā)生碰撞

8、的狀態(tài)，即不可避免碰撞狀態(tài)。只有獲取該狀態(tài)，并增加到環(huán)境表示中才能保證機(jī)器人導(dǎo)航的安全性。為此，提出利用混合系統(tǒng)理論獲取不可避免碰撞狀態(tài)的方法，給出不可避免碰撞狀態(tài)等概念在混合系統(tǒng)理論描述的基本定義，證實(shí)不可避免碰撞狀態(tài)是混合系統(tǒng)理論中以障礙物為目標(biāo)形成的最大嚴(yán)格可達(dá)集，并利用水平集及時變哈密頓一雅克比方程的求解方法獲得不可避免碰撞狀態(tài)計(jì)算方法。仿真研究表明，提出的方法可以保證機(jī)器人在運(yùn)動過程中實(shí)時獲取不可避免碰撞狀態(tài)，增強(qiáng)障礙物描述，

9、使機(jī)器人導(dǎo)航更加安全。
　　5.涌現(xiàn)行為的發(fā)現(xiàn)及優(yōu)化研究。機(jī)器人在導(dǎo)航過程中與環(huán)境交互時，由于環(huán)境的復(fù)雜多變，機(jī)器人也同樣會表現(xiàn)出復(fù)雜多變的外顯性涌現(xiàn)行為，這種無法事先設(shè)計(jì)的行為需要在機(jī)器人導(dǎo)航時發(fā)現(xiàn)，并總結(jié)其執(zhí)行規(guī)律，保證綜合行為是安全可靠的。為此，利用遞歸圖方法定性分析機(jī)器人導(dǎo)航的航向角時間序列，證實(shí)當(dāng)每一時刻僅有簡單反射行為執(zhí)行時，機(jī)器人同樣會產(chǎn)生復(fù)雜的涌現(xiàn)行為；提出利用預(yù)測信息更新一階白回歸方程參數(shù)實(shí)時探測導(dǎo)航過程中機(jī)器人