[01208270]多移动机器人协调控制系统的研究与实现

本课题结合河南省科技攻关项目(082102210084)及国家"863"计划项目(2005AA404290)，以德国SICK公司生产的LMS200激光测距仪为主要的测距传感器，以多移动机器人为平台，围绕障碍感知、自主避障及协调协作而展开，从理论和实践上进行了深入的研究和探讨。 主要开发内容及技术关键如下： 1)群体体系结构问题：建立一类基于智能体通信机制的协调体系结构，基于此类结构设计的多移动机器人系统不受环境约束、适合多种任务。对整个系统内的多机器人的相互关系和功能进行分配，确定系统和各机器人之间的信息流通关系及其逻辑上的拓扑结构，给出控制多机器人并使其可以协调合作的机制和计算结构。 2)机器人本体研制：综合比较多移动机器人走行部拓扑结构、机动模式、控制系统的特点，进行本项目的移动机器人机械本体设计，进行具有开放性、通用性和基于网络特点的控制系统的硬件和软件设计。 3)机器人控制器研制：以信息库为核心，具有多层通讯与人机交互能力，具有对外交互管理甚至组织能力，具有多种传感器输入和实现传感器信息融合的能力，具有高速高精度的控制能力。控制器将基于数据库、通讯谈判和传感器信息而具有更大的自主能力和更广泛的智能。通过面向实际应用的群集运动控制算法，以及智能体(Agent)与移动机器人之间的转换方法，对复杂环境下多移动机器人协调避障和避碰运动中的问题进行研究。 4)针对栅格法信息存储量大、所耗时间和资源较多、不利于实时应用的问题，提出了一种将环境信息以运动路径的矢量方向存储的环境建模方法—极坐标矢量法，大大减少了环境信息存储量，提高了运算速度。 基于极坐标矢量图和识别障碍物群算法，实现了在未知环境中的障碍物特征提取。设计了包含紧急避障、精确规划、模糊规划、动态避障的控制结构和避障算法，并在实际的环境中进行了实验验证，结果表明：机器人能够随着环境特征的变化，自主地调整感知和规划策略，以适应不同的环境条件下障碍物避碰的要求。 5)本课题在移动机器人的基础上，构建了金属切削机床用工业机器人，工业机器人用来在金属切削机床上工作，它能保证工作机构在球坐标系中运动，在结构上能直接放置在所工作的工艺装备中。对金属切削机床用工业机器人进行了运动学分析，并应用ADAMS及MATLAB进行仿真。 技术经济指标： 1)单机器人能够实现未知环境中的障碍物提取，实现紧急避障，动态避障。速度在0～2400mm/s可调，角速度在-360°～360°，运动控制周期1ms，与上位机通讯周期50ms。 2)多机器人可以通过无线通讯等方式协调避障、避碰及合作编队问题。外形尺寸符合Robocup中型组。 应用条件和前景： TJ-1智能机器人集成了当代众多领域的高技术成果，适用于大学众多学科的教学演示、实验和培训，提高学生的综合和创新能力，全面支持电气、电子、控制、机械、机电、计算机、人工智能等课程的教学演示、课程实验和工程训练、提高学生的综合创新能力，适用于RoboCup、中国机器人竞赛、CCTV等国际、国内重要比赛，是本科生、硕士、博士研究生从事科研的实验平台，打造高水平成果。设备结构简单，成本较低，操作简便，安全可靠，占地面积小，便于安装，外观美观，适应性强，设备性能较好，达到了国外同类产品的性能指标，具有较强的市场竞争力。 TJ-1智能机器人具有开放式移动平台、高性能软、硬部件、框架型整体结构、通用视觉处理软件，采用模块化设计理念，易扩展组件，基于开放式软件开发环境。它集成了移动机器人底层技术，包括传感层，有传感通讯接口及传感器数据处理部分。包括运动控制接口、无线通讯接口，可扩展行为API函数，可以边充电边调试及进行过程的编程访问，可扩展任务级控制（地图创建、路径规划等）。采用分层结构，底层是传感、通讯层，具备编码器、声纳、激光、远程通讯、视觉等。上层是任务、行为层，易扩展任务创建、行为控制。任务规划基于有限状态机原理，封装状态类，易于自定义、扩展（状态序号、名称、入口、出口、触发行为、迁移等）设备结构简单，成本较低，操作简便，安全可靠，占地面积小，便于安装，外观美观，适应性强。