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邻域约束下空地异构机器人系统路径规划方法

机器人 2017年第1期39卷 1-7页

作者：陈洋谭艳平程磊吴怀宇武汉科技大学信息科学与工程学院湖北武汉430081 冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心湖北武汉430081

针对一类带邻域约束的空地异构机器人系统的路径规划问题,提出了一种利用混合整数凸优化模型进行求解的方法.异构机器人系统由一台空中飞行机器人与一台地面自主移动机器人构成.机器人系统的任务是按给定顺序访问已知的目标序列.由于空... 详细信息

针对一类带邻域约束的空地异构机器人系统的路径规划问题,提出了一种利用混合整数凸优化模型进行求解的方法.异构机器人系统由一台空中飞行机器人与一台地面自主移动机器人构成.机器人系统的任务是按给定顺序访问已知的目标序列.由于空中机器人每次持续飞行时间受限,因此必须及时返回地面机器人以节省能量或补充能量.分别考虑了空中飞行机器人和地面移动机器人的最大运动速度,空中飞行机器人的最小充电时间、最大滞空时间,以及各目标位置的邻域等约束,以完成所有目标序列访问任务的总时间最短为代价,建立了相应的目标优化模型,从而将机器人系统的路径规划问题转化为混合整数凸优化问题.基于建立的凸优化模型,考虑飞行机器人起降过程的时间消耗,分析了无人机起降过程的敏捷性能对路径规划结果的影响.最后通过仿真实验验证了所提方法的可行性和有效性.

关键词：异构机器人系统路径规划无人机空地合作混合整数规划

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面向城市场景的异构机器人系统协作追踪策略

面向城市场景的异构机器人系统协作追踪策略

作者：苏智龙中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)

学位级别：硕士

在诸如交通监控、农业生产和物流配送等场景中,机器人在执行任务的效率和可靠性上都发挥着人工不可替代的作用。面对日渐复杂的任务需求和日渐增多的任务流,使用机器人执行一些重复且危险的任务将会成为主流,机器人发挥着越来越重要的... 详细信息

在诸如交通监控、农业生产和物流配送等场景中,机器人在执行任务的效率和可靠性上都发挥着人工不可替代的作用。面对日渐复杂的任务需求和日渐增多的任务流,使用机器人执行一些重复且危险的任务将会成为主流,机器人发挥着越来越重要的作用。作为传感器平台,无人机和地面机器人在感知、负载、速度等方面有很强的互补性:无人机提供了广阔的视野和较快的移动速度,无人车提供了高清晰度的感知和可靠操作。面对一些复杂的城市场景任务需求,只靠单一种类的机器人无法完成复杂任务,异构机器人协作系统能够发挥无人机与无人车的互补优势。本研究旨在提出一种新颖的协作追踪策略,该策略使用无人机与无人车组成的异构机器人系统,更有效、更可靠的完成城市中的追踪任务。研究主要包括:（1）结合了无人机与无人车各自的优点,提出了一种异构机器人协作追踪系统。该系统由无人机系统、地面机器人系统和地面站控制台三大模块组成,能够从无人机视角很好地跟踪目标物体,并给地面机器人发送目标定位,扩大地面机器人的感知范围。（2）由于无人机具有运动灵活、机动性好、视野较高的特点,非常适合用来执行目标跟踪定位任务,本研究提出了一种使用无人机进行目标跟踪定位的方法,该方法用TLD跟踪算法在视频流中跟踪目标,获取目标的像素坐标,然后通过相机成像原理和无人机已知状态量估计出目标位置,为地面机器人提供更广阔的追踪范围。（3）本研究将不可通行区域划分成两类:障碍物类不可通行区域和悬崖类不可通行区域。针对地面机器人检测不到悬崖类不可通行区域的问题,本研究提出了一种有效的、鲁棒的数据融合算法,并提出了边缘过滤器,最后使用融合数据来导航避障。本研究提出了一种异构机器人协作追踪系统,该系统使用无人机跟踪目标物体,使用融合数据来给无人车提供导航避障信息,能够更好地完成协作追踪任务,为异构机器人系统提供了一种新的协作方式。

关键词：异构机器人系统无人机无人车目标跟踪目标定位

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路网约束下异构机器人系统的路径规划研究

路网约束下异构机器人系统的路径规划研究

作者：陈梦清武汉科技大学

学位级别：硕士

在多机器人的研究中,异构机器人系统因其个体具有不同性能特点能够实现优势互补得到了广泛的研究。异构机器人系统指由空中飞行器和地面移动机器人组成的系统,本文对异构机器人系统的路径规划问题展开研究,主要工作如下:首先,在参阅大... 详细信息

在多机器人的研究中,异构机器人系统因其个体具有不同性能特点能够实现优势互补得到了广泛的研究。异构机器人系统指由空中飞行器和地面移动机器人组成的系统,本文对异构机器人系统的路径规划问题展开研究,主要工作如下:首先,在参阅大量文献的基础上,分析异构机器人系统路径规划的研究现状。目前对于异构机器人系统路径规划的研究,从地面移动机器人的路径规划角度可分为两类:一类是允许地面移动机器人在地面上的任意位置运动,同时规划地面移动机器人和无人机的路径;另一类是限制地面移动机器人的运动范围,但是人为给定其路线,仅规划无人机的路线。本文考虑实际应用中地面路网的限制,同时为地面移动机器人和无人机规划路径。然后,对本文的路径规划问题进行建模,并详细介绍“两步法”策略求解该路径规划问题的具体实现。由于地面车和无人机的路线之间具有强烈的耦合,而由于地面路网的复杂性,地面车的路线难以使用传统的约束式来表达,即,地面车和无人机之间的耦合难以由约束式来解决。因此本文使用蚁群算法和遗传算法分别对地面移动机器人和无人机的路径进行求解。既将无人机和地面车的路径进行了解耦,又通过蚁群算法和遗传算法的结合使两者的路线相互影响。最后,为了进一步缩短无人机的总飞行距离,允许无人机在续航时间内一次访问多个目标点,对无人机路径规划的模型和算法进行拓展,并通过仿真验证了模型和算法的可行性与有效性。

关键词：异构机器人系统路径规划路网约束两步法

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空地异构机器人系统路径规划研究

空地异构机器人系统路径规划研究

作者：谭艳平武汉科技大学

学位级别：硕士

在现实应用中,由于工作条件的多变和任务复杂程度的不同,往往会出现许多单机器人无法完成任务的情形,尤其是在一些复杂多任务、情况特殊的环境中,需要多个机器人或者混合不同类型的机器人一起工作。本文针对由地面移动机器人与空中飞行... 详细信息

在现实应用中,由于工作条件的多变和任务复杂程度的不同,往往会出现许多单机器人无法完成任务的情形,尤其是在一些复杂多任务、情况特殊的环境中,需要多个机器人或者混合不同类型的机器人一起工作。本文针对由地面移动机器人与空中飞行机器人组成的空地异构机器人系统的路径规划问题展开研究,其主要工作如下:首先,介绍异构机器人系统研究的背景及意义,总结机器人路径规划的研究现状,进一步提出本文的研究内容。其次,对混合整数规划的相关理论知识进行简要阐述,介绍不同规划模型中目标函数与约束表达式的建立原则,并以同构单机器人为例简要分析凸优化模型在路径规划中的应用。然后,围绕空地异构机器人系统访问多任务点的最优路径规划问题展开研究,在保证异构机器人系统充分利用各自特点实现优势互补的前提下,通过建立各任务点邻域约束与地面移动机器人的避障约束,利用数学最优化建模方法,在确保各任务点可达情况下,规划出一条全局最优或近似最优的安全无碰撞路径,并对规划后的路径进行平滑处理。最后,在MATLAB中对所提算法仿真验证,并且对比分析了异构机器人系统在一般环境中、加入邻域约束、引入惩罚项以及考虑地面移动机器人自主避障等几种不同情况下的路径规划结果,验证所提算法的可行性与有效性。

关键词：异构机器人系统路径规划混合整数规划邻域约束路径平滑

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无人化仓库下异构机器人混合任务分配研究

仪表技术与传感器 2024年第6期 53-60,78页

作者：王军茹张菂孙广彬北京信息科技大学自动化学院壹佰米机器人技术(北京)有限公司

在具有若干个障碍区的码头无人化仓库中,为解决异构机器人系统对混合任务的有效分配问题,文中提出一种模糊聚类融合的扩展一致性束算法。在采用模糊聚类划分任务子区域和利用时间窗设置混合任务执行顺序的基础上,提出机器人分组资源配... 详细信息

在具有若干个障碍区的码头无人化仓库中,为解决异构机器人系统对混合任务的有效分配问题,文中提出一种模糊聚类融合的扩展一致性束算法。在采用模糊聚类划分任务子区域和利用时间窗设置混合任务执行顺序的基础上,提出机器人分组资源配置策略,以任务分配收益最大、运行时间最短为目标,建立异构机器人系统任务分配的数学模型,通过扩展一致性束算法,在各个子区域内完成任务分配。结果表明:扩展一致性束算法缩短了任务分配时间,得到各子区域内机器人的执行任务序列并且每架机器人所分配到的任务数保持均衡。

关键词：无人化仓库异构机器人系统混合任务分配时间窗机器人分组资源配置策略一致性束算法

基于领航-跟随策略的异构机器人协同控制技术研究

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基于领航-跟随策略的异构机器人协同控制技术研究

作者：石贤伟西京学院

学位级别：硕士

自动控制和多机器人领域的研究热点之一,便是异构机器人协同控制技术。空-地异构系统的主要组成分别为空中机器人(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)、地面多移动机器人(Multi-Unmanned Ground Vehicle,MUGV)和笔记本控制端,两者可依靠自身... 详细信息

自动控制和多机器人领域的研究热点之一,便是异构机器人协同控制技术。空-地异构系统的主要组成分别为空中机器人(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)、地面多移动机器人(Multi-Unmanned Ground Vehicle,MUGV)和笔记本控制端,两者可依靠自身优势,在协同过程中优势互补,并由笔记本控制端进行控制共同完成救援任务。本文研究基于领航-跟随策略的异构机器人协同控制系统设计与实现,构建异构机器人协同方案,分别设计了多二维码定位算法及基于距离-动态角度融合虚拟结构的线性反馈领航-跟随策略,将阵形变换策略用于自主避障,搭建出仿真实验平台,用于实验验证。主要研究内容:(1)对异构机器人系统进行总体结构设计。为满足异构机器人系统的救援任务工作需要,对异构机器人系统的组成进行分析,设计出UAV、MUGV协同方案,并对关键技术进行阐述,以便选取合适定位方案与编队技术。(2)对UAV设计多二维码定位算法。为减少计算量和去除图像内无关特征、噪声,对图像预处理,对比相关的图像处理算法,并定位图像内二维码区域对二维码编码和解码,并获取实验场景中二维码真实位置,设计基于视觉图像的多二维码定位算法,将其融入激光雷达的定位实验中,以达到提供全局位置信息,提升传统激光雷达定位算法的准确度。(3)对MUGV设计领航-跟随策略及阵形编队策略。建立单车运动学模型,设计基于距离-角度融合虚拟结构的领航-跟随策略。考虑到编队过程中编队阵形不可靠,以上述策略为基础,设计基于距离-动态角度融合虚拟结构的线性反馈领航-跟随策略,以提升编队过程中稳定性,并根据评价指标、环境感知、探测距离信息,设计阵形变换策略,用于躲避实验场景内障碍物。(4)搭建异构机器人系统仿真实验平台。对依靠激光雷达传感器的自适应蒙特卡洛(adaptive Monte Carlo Localization,AMCL)定位算法进行仿真实验,并与融合多二维码定位的AMCL算法对比,实验结果表明多二维码具备修正坐标作用。对MUGV的基于距离-角度融合虚拟结构的领航-跟随策略和基于距离-动态角度融合虚拟结构的线性反馈领航-跟随策略进行仿真实验,实验结果表明编队的稳定性得到提升。对异构机器人系统进行协同救援实验,实验结果表明异构机器人系统在允许的误差内,能够较好的完成救援任务。

关键词：异构机器人系统多二维码领航-跟随策略阵形变换

面向地—空机器人协同的SLAM技术研究及实验平台构建

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面向地—空机器人协同的SLAM技术研究及实验平台构建

作者：张特电子科技大学

学位级别：硕士

无人系统通常采用GPS作为自主导航方案,但是在复杂环境下GPS信息存在丢失或不可靠等问题。为此,往往需要通过搭载的传感器,实现位姿信息的测量或估计。另一方面,地面和空中异构机器人通过协同,能够完成特殊复杂的任务或具有更高的任务... 详细信息

无人系统通常采用GPS作为自主导航方案,但是在复杂环境下GPS信息存在丢失或不可靠等问题。为此,往往需要通过搭载的传感器,实现位姿信息的测量或估计。另一方面,地面和空中异构机器人通过协同,能够完成特殊复杂的任务或具有更高的任务效能。因此,复杂环境下无人系统位姿估计问题和异构无人系统的协同都具有重要的应用价值和研究意义。上述背景下,本文研究无GNSS信号环境下轻小型无人机与地面机器人(UGV)的协同运动控制技术,重点解决四个方面的问题:(1)基于机载单目视觉的旋翼机位置与速度信号的估计;(2)未知环境的地图构建;(3)基于地面机器人领航的协同控制;(4)旋翼机和地面机器人间的数据通信。最终,进行实验平台的构建和相关算法的执行以及关键技术验证。针对旋翼机位置与速度估计问题,研究了单目视觉SLAM系统执行过程中涉及到的相关算法和策略,设计了SLAM系统方案。针对未知环境的地图构建问题,设计了两种稠密地图构建方案,包括点云地图构建与八叉树地图构建。设计了合理的航点跟踪控制律,搭建了控制器,整定了控制参数,给出了控制律的执行策略。通过运动捕捉系统提供的室内可靠导航信息,验证了控制律性能。针对旋翼机和地面机器人间的数据通信问题,设计了基于ROS的通信系统方案,验证了实时数据交互性能。最后,构建了一套低成本面向地-空机器人协同运动的实验平台。在此基础上,进行了基于SLAM系统的UGV和旋翼机室内定位实验、旋翼机室内悬停和航点跟踪控制实验。实验验证了导航信息的可靠性和实时性,呈现了室内未知环境的地图信息,完成了地面机器人和无人机航点跟踪控制效果的综合对比与分析。

关键词：视觉SLAM 异构机器人系统位置协同八叉树地图