未知环境中移动机器人导航控制研究的若干问题.pdf

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1、第卷第期控制与决策年月文章编号未知环境中移动机器人导航控制研究的若干问题蔡自兴贺汉根陈虹中南大学信息科学与工程学院湖南长沙国防科技大学机电工程与自动化学院湖南长沙吉林大学控制科学与工程系吉林长春摘要未知环境中移动机器人导航控制理论和方法是机器人学和智能控制的一个重要研究领域综述了该领域研究的主要内容及其发展动态分析了与导航控制有关的机器学习方法的研究现状指出了存在的不足和有待进一步研究的问题并提出了一些解决思路关键词移动机器人未知环境导航控制中图分类号文献标识码引言达国家开发空间资源的主要手段之一研究和发

2、展月球探测移动机器人技术对包括移动机器人导航智能移动机器人是一类能够通过传感器感知环控制在内的相关前沿技术的研究将产生巨大的推动境和自身状态实现在有障碍物的环境中面向目标作用移动机器人在月球和火星等外星球表面导航的自主运动称为导航从而完成一定作业功能的时将面临复杂的未知环境未知环境中的移动机器机器人系统人自主导航控制技术已成为空间探测机器人的一项随着科学技术的发展人类的研究和活动领域关键技术已由陆地扩展到海底和空间利用移动机器人进行在移动机器人导航控制理论和方法的研究中空间探测和开发已成为世纪世界各主要科

3、技发收稿日期修回日期基金项目国家自然科学基金项目作者简介蔡自兴男福建莆田人教授博士生导师从事人工智能机器人学等研究贺汉根男江苏杭州人教授博士生导师从事模式识别机器人学等研究控制与决策第卷确定性环境的导航控制方法已取得了大量的研究和混合式体系结构是移动机器人体系结构研究的应用成果对未知环境中的导航控制也开展了一些重要发展趋势并在未知环境下移动机器人导航中研究并提出了若干方法但尚未形成统一和完善的得到应用但在移动机器人体系结构的研究方面仍体系结构还有许多关键理论和技术问题有待解决有许多问题需要进一步研究解决主

4、要有如何实和完善这些问题主要包括环境建模定位导航控现基本功能模块的灵活组合使得功能与知识都具制器的学习与优化故障诊断在线运动规划与控制有良好的扩展性如何实现基于符号的慎思式智等未知环境中的移动机器人只具有较少的先验知能与基于行为的反应式智能之间的合理协调如识其导航控制方法涉及环境认知优化决策知识何建立各层次间知识的交流机制通过机器学习获表示与获取等多项关键问题得新的知识对未知环境中的移动机器人导航控制理论和方环境建模与定位法的研究将推动认知科学模式识别非线性控制移动机器人自定位与环境建模问题是紧密相关等前

5、沿学科的研究带动航天海洋军事建筑交的环境模型的准确性依赖于定位精度而定位的实通工业和服务业等领域移动机器人导航控制系统现又离不开环境模型在环境建模技术研究方面主要提出了基于传感器的单元分解建模技术的开发研究为无人探察车无人排险车和无人运输几何建模技术和拓扑建模技术类方法车等用于航天军事深海作业和核工业领域的移动基于几何坐机器人系统的应用奠定理论和技术基础标的方法利用滤波器在局部区域内可获得较高的精度并且计算量小但在广域环境中却难以移动机器人导航系统理论与技术的维持精确的坐标信息基于拓扑的建模方法允许机研究

6、概况器人在难以获得精确定位信息的情形下利用状态部分可观测马尔可夫决策过程模型依靠传感器信适应于未知环境的移动机器人导航系统应具备息与环境特征信息的匹配来确定机器人的方位但环境认知行为决策运动控制等能力可对系统自在非结构化环境或环境特征不明显的情况下则难身状态进行监测并能有效容错该领域的研究内容以进行可靠的导航控制主要包括体系结构环境建模与定位路径规划运现有移动机器人的定位方法主要包括航迹推动控制故障诊断与容错控制等若干方面算组合定位和感知定位航迹推算方法存在累积体系结构误差问题通常与基于感知的定位方法相结

7、合利用目前移动机器人导航控制的体系结构主要分环境特征和路标识别来消除或减少累积定位误差为以下种组合式定位系统主要包括全球定位系统激基于功能分解的体系结构即按感知建模光定位系统等上述定位方法已成功地应用于确定规划行动的模式实现移动机器人的导航控制现性结构化环境中的移动机器人定位但仍难以有效已提出多种离线全局路径规划方法地解决在未知环境中的移动机器人定位问题目前基于行为的反应式体系结构最具代表性的基于概率模型和多传感器融合的移动机器人定位与是的包容式体系结构如何构造和优化机环境建模研究已取得了一些研究成果但大

8、多器人行为控制器是其成功与否的关键主要方法有局限于室内结构化环境基于模糊逻辑及神经网络的监督学习方法及基于传在复杂未知环境中由于先验知识的匮乏和环感器信息的局部运动规划方法等境的不确定性使得并发的环境建模和定位方法成上述二者结合的混合式体系结构以克服为亟待研究的课题其中包括环境的不确定性表示功能分解体系结构在不确定和未知环境中的建模困三维环境特征的提取基于多传感器融合的增量式难实时性和适应性差等缺点同时实现对已有环境建模方法等