半自主偵察機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)研究.pdf

1、偵察機(jī)器人是用于進(jìn)入情況不明、人員無(wú)法接近或高度危險(xiǎn)區(qū)域執(zhí)行偵察任務(wù)的機(jī)器人，操作員通過(guò)人一機(jī)器人交互接口監(jiān)視機(jī)器人的姿態(tài)和工作狀態(tài)，遠(yuǎn)程操縱機(jī)器人從事偵察、采樣和處理現(xiàn)場(chǎng)高危性事件等工作。本文結(jié)合霍英東教育基金項(xiàng)目“基于多傳感器信息融合的遙操作機(jī)器人建模與控制技術(shù)”以及與南京軍區(qū)裝備部合作研制“遠(yuǎn)程遙控核化偵察機(jī)器人”的需要，重點(diǎn)研究半自主偵察機(jī)器人中的自主行為及其協(xié)調(diào)機(jī)制、偵察事務(wù)規(guī)劃、人-機(jī)器人交互技術(shù)和基于多代理的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方

2、法。 分析了半自主核化偵察機(jī)器人的功能需求，建立了機(jī)器人車體的運(yùn)動(dòng)模型，給出了基于里程計(jì)的定位方法，以及將里程計(jì)與姿態(tài)傳感器進(jìn)行融合的定位方法。設(shè)計(jì)了一個(gè)層次式的、具有模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、局部智能等特點(diǎn)的電子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。提出了一個(gè)融合層次式控制體系和基于行為的控制體系優(yōu)點(diǎn)的混合式半自主偵察機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)。 提出了一個(gè)新穎的基于行為的優(yōu)先級(jí)和有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)(FSA)的混合式行為協(xié)調(diào)機(jī)制，利用行為的優(yōu)先級(jí)協(xié)調(diào)組合行為內(nèi)的基本行

3、為完成簡(jiǎn)單的任務(wù)，利用特定的FSA作為組合行為的選擇器，通過(guò)激活或者終止相應(yīng)的組合行為工作，完成比較復(fù)雜的任務(wù)?；旌闲袨閰f(xié)調(diào)機(jī)制的重要特點(diǎn)是可以在需要完成某個(gè)特定任務(wù)時(shí)動(dòng)態(tài)構(gòu)建相應(yīng)的組合行為協(xié)調(diào)器。這種方法使得基于行為的機(jī)器人能夠完成面向目標(biāo)的任務(wù)。利用這一機(jī)制實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自主移向目的地的宏行為，在這一行為的引導(dǎo)下，機(jī)器人能夠在具有“陷阱”的環(huán)境中順利到達(dá)目的地。仿真和實(shí)驗(yàn)都表明混合行為協(xié)調(diào)機(jī)制具有良好的魯棒性和簡(jiǎn)單性。 針對(duì)偵察

4、機(jī)器人需要的自主能力，實(shí)現(xiàn)了基于模糊推理理論融合多傳感器信息的機(jī)器人自主向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)、自主路徑跟蹤、自主搜索和跟蹤目標(biāo)、車體平衡控制、障礙避讓等行為，仿真和實(shí)驗(yàn)證明這些基本行為能夠?qū)崿F(xiàn)所需的功能。提出了基本行為動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的概念，實(shí)現(xiàn)了基于基本行為動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的組合行為協(xié)調(diào)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在有障礙的環(huán)境中安全自主地移向目標(biāo)位置的組合行為和路徑跟蹤組合行為。仿真或者實(shí)驗(yàn)都證明這些基本行為和組合行為都能夠?qū)崿F(xiàn)所需的功能。探討了基于多傳感器信息

5、融合的履帶式移動(dòng)機(jī)器人爬樓梯的控制方法。 為了解決操作員在偵察現(xiàn)場(chǎng)需要快速進(jìn)行事務(wù)規(guī)劃的問(wèn)題，提出了基于宏行為的事務(wù)描述方法和事務(wù)執(zhí)行機(jī)制。給出了基本行為、組合行為和宏行為的形式化描述方法。引入了基于RS模型的行為合成運(yùn)算符合成機(jī)器人行為的方法，從而可以形式化地構(gòu)建偵察機(jī)器人的事務(wù)描述。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)圖形化的機(jī)器人偵察事務(wù)規(guī)劃器，使得操作員在偵察現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需編程，就可以方便構(gòu)造偵察事務(wù)程序。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能夠解釋和執(zhí)行事務(wù)描述的、基于宏行為

6、的事務(wù)執(zhí)行器。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的任務(wù)描述方法可行，事務(wù)執(zhí)行器能夠可靠地完成事務(wù)描述所規(guī)定的任務(wù)。 針對(duì)目前人一機(jī)器人接口存在的命令輸入不方便、顯示信息意義含糊、臨場(chǎng)感效果差等缺點(diǎn)，提出了偵察機(jī)器人人機(jī)界面設(shè)計(jì)中的安全性、專業(yè)性、適應(yīng)性等設(shè)計(jì)要求，分析了人機(jī)接口在遠(yuǎn)程感知、導(dǎo)航控制、偵察控制和事務(wù)規(guī)劃等方面的功能需求，并針對(duì)研制核化偵察機(jī)器人的需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)操作員控制器，具有模擬命令輸入面板和具有三維動(dòng)態(tài)模擬的監(jiān)控畫面，通

7、過(guò)它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、姿態(tài)、以及顯示現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻、音頻，顯示專用化學(xué)分析儀器、核輻射測(cè)量?jī)x器等傳回的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，方便操作員對(duì)車體的運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃、機(jī)械手的操作控制等，還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于數(shù)字地圖的偵察機(jī)器人導(dǎo)航控制器，可以方便地監(jiān)視機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置和規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑。操作員控制器具有命令輸入方便、模擬顯示形象逼真、臨場(chǎng)感好、交互性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 由于半自主偵察機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)該具有分布的智能、局部自主和開(kāi)