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一种具有情感和记忆机制的迷宫机器人认知模型

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控制与决策 2023年第10期38卷 2850-2858页

作者：张晓平李凯王力闫佳庆何忠贺北方工业大学电气与控制工程学院北京100144

情感作为人类的高级认知,在环境学习和环境理解方面具有重要意义.将情感引入机器人搜索任务,同时结合记忆机理,提出一种具有情感和记忆机制的认知模型,由内部状态、感受器、环境状态系统、情感系统、动态知识库、行为决策系统以及执行器... 详细信息

情感作为人类的高级认知,在环境学习和环境理解方面具有重要意义.将情感引入机器人搜索任务,同时结合记忆机理,提出一种具有情感和记忆机制的认知模型,由内部状态、感受器、环境状态系统、情感系统、动态知识库、行为决策系统以及执行器7部分组成.情感系统包含情感生成、情感状态以及情感记忆3个模块,其中,情感记忆用于提供内部奖励.记忆功能在动态知识库中实现.基于强化学习理论框架,将情感内部奖励与记忆进行融合,形成新的奖励机制,并设计相关认知学习算法.以需要“能量补给”的迷宫机器人搜索任务对所提出认知模型进行验证,结果发现,当面对不同情境时,机器人会产生不同的情感.结合前期记忆,机器人所作决策更“拟人”,表明情感和记忆机制设计的有效性.将所提出认知模型、无情感决策认知模型、基于ε-greedy策略的Q学习算法进行对比,结果表明,情感和记忆的引入,能够提高机器人的学习效率,同时学习过程更稳定.

关键词：情感记忆内部奖励迷宫机器人认知模型

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基于ROS的迷宫机器人系统实现与算法研究

基于ROS的迷宫机器人系统实现与算法研究

作者：张赛天津工业大学

学位级别：硕士

智能移动机器人对我国先进制造技术的发展起着关键作用,本论文研究的迷宫机器人是移动机器人的典型代表,迷宫机器人的主要任务是在排列未知的迷宫中,根据传感器避障、运动控制、智能规划算法完成从起点向设定目标点的搜索与冲刺。迷宫... 详细信息

智能移动机器人对我国先进制造技术的发展起着关键作用,本论文研究的迷宫机器人是移动机器人的典型代表,迷宫机器人的主要任务是在排列未知的迷宫中,根据传感器避障、运动控制、智能规划算法完成从起点向设定目标点的搜索与冲刺。迷宫机器人通常以竞赛形式展现,新冠疫情之下,迷宫机器人线下竞赛受到严重影响,一定程度上阻碍了迷宫机器人技术发展,开发适用于线上竞赛需求的迷宫机器人虚拟竞赛系统尤为必要。本文针对Ubuntu环境下的迷宫机器人虚拟竞赛系统实现方法展开研究。利用Ubuntu18.04搭载ROS系统设计搭建迷宫机器人模型与迷宫环境模型,对迷宫机器人的底层控制方法、迷宫机器人搜索算法、路径规划算法展开研究。本论文主要研究内容为如下几点:1.基于ROS的迷宫机器人虚拟运行环境的搭建。利用URDF模型文件建立了迷宫机器人模型,设计了迷宫机器人的主体部件并根据迷宫机器人功能需求设置了各部件通信属性。通过设定运动插件与关节绑定,解析transmission传动标签,加载硬件接口,建立ROS和Gazebo的通信桥梁。利用WORLD标签文件实现了迷宫地图,完成了标准迷宫图形符号文件的设计及其Gazebo加载。深入分析了激光雷达传感器模型、位姿里程计模型以及TF坐标系变换关系。***迷宫机器人底层控制研究与实现。分析了迷宫机器人的工作原理,研究了虚拟环境下迷宫机器人的墙壁资料存储方法,研究确立了迷宫绝对方向和机器人相对方向的转换关系。设计了迷宫机器人运动控制环路,分析了ROS系统的节点间通讯机制,利用Python语言编写控制文件,实现了迷宫机器人的墙壁识别、角度控制、速度控制、位置控制、位姿误差矫正。3.基于ROS的迷宫机器人搜索与冲刺算法研究与实现。对比研究了深度优先算法、向心算法、基础Flood Fill算法、Flood Fill向心算法各自的特性。并验证了Flood Fill向心算法搜索迷宫的优良与可靠性。对传统冲刺算法进行了分析,针对传统冲刺算法转弯动作多、路径长等不足,提出一种适用于虚拟迷宫竞赛环境的45°斜向冲刺算法,设计采用八方向划分、等高图制作、斜向动作规划等,使迷宫机器人具备斜向运动能力。***迷宫机器人虚拟竞技系统测试。搭建线上迷宫机器人实验平台,联合Gazebo环境模拟界面、RVIZ信息显示界面、仿真评测计时系统进行实验验证。利用Python编写控制程序在Gazebo环境下控制迷宫机器人完成位姿矫正,搜索与冲刺算法验证,通过RVIZ信息显示界面显示迷宫机器人的实验路径,通过仿真评测计时系统实现对迷宫机器人的成绩评判。实验表明,本文设计的ROS迷宫机器人控制系统运行稳定,搜索与冲刺算法效率较高。

关键词：迷宫机器人虚拟竞赛系统 ROS 斜向冲刺算法

基于人工好奇心的迷宫机器人自主导航算法研究

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基于人工好奇心的迷宫机器人自主导航算法研究

作者：刘翼豪北方工业大学

学位级别：硕士

迷宫机器人吸引着国内外许多学者进行研究,传统的迷宫机器人导航算法如洪水填充算法或A*算法,泛化能力不足,基于强化学习的迷宫机器人导航算法泛化能力提高,但存在奖励稀疏问题,目前,对其的解决办法有奖励设计和学习、经验重放、平衡探... 详细信息

迷宫机器人吸引着国内外许多学者进行研究,传统的迷宫机器人导航算法如洪水填充算法或A*算法,泛化能力不足,基于强化学习的迷宫机器人导航算法泛化能力提高,但存在奖励稀疏问题,目前,对其的解决办法有奖励设计和学习、经验重放、平衡探索和开发、多任务学习和辅助任务等,其中,设计内在奖励是解决该问题的有效方法之一。从人和动物学习角度出发,好奇心,作为一种内在动机,起着重要的作用。好奇心鼓励人和动物探索知识、了解未知,从而获得更多的信息以解决当下问题。本文将好奇心引入迷宫机器人自主导航算法中,在强化学习框架下开展一系列相关研究,取得成果具体如下。(1)设计了一种基于人工好奇心的迷宫机器人自主导航算法,其中,人工好奇心算法基于Sigmoid函数实现,能够对未知输出更高的值。根据好奇心值计算各个动作的选择概率,通过影响强化学习动作选择概率从而提高学习效率。其次,算法中设计记忆模块用于存储节点Q值,在每次学习结束后,记忆模块中储存的信息按照存储时间顺序从后往前依次进行强化。在走廊式迷宫中对算法进行验证,证明迷宫机器人能够基于人工好奇心从多条路径中学习到最短路线,且学习时间低于传统Q-learning算法。(2)针对基于Sigmoid函数设计的人工好奇心泛化能力不足,在面对更加复杂环境时算法求解能力差的问题,提出一种基于改进人工好奇心的迷宫机器人自主导航算法,其中人工好奇心不再被简单地描述成一个函数,而是在ICM启发下设计为改进的人工好奇心系统,由预测网络、联想记忆网络、以及基于联想记忆网络设计的推理算法和距离标定算法构成。使用预测网络和联想记忆网络的输出误差来表示好奇心,误差越大即好奇心值越大,表明智能体对某一动作越陌生,即智能体对未知领域的兴趣更大,从而促使智能体对未知进行探索。设计推理算法则用于寻找好奇度大的节点,当智能体陷入局部最小时,生成动作序列用以帮助迷宫机器人逃离局部最小。基于改进人工好奇心的迷宫机器人自主导航算法可以保证智能体不重复探索,从而促进智能体学习,在复杂迷宫环境中开展相关实验,证明了算法在复杂环境中的学习能力,性能更优。(3)上述两种方法研究对象均为走廊式迷宫,为了使得智能体能更好适应现实环境,提出了一种具有复杂环境推理能力的迷宫机器人自主导航算法,由发育联想记忆网络、节点自建系统以及推理算法构成。其中,节点自建系统能够帮助智能体根据当下信息发育式自建节点,并通过设计的发育联想记忆网络对节点信息进行记忆;好奇心由针对各个节点设计的好奇度表示;当智能体在某一区域各个方向的好奇度均较低时,通过推理算法帮助机器人寻找好奇度大的区域,继续进行探索和学习。在开放式迷宫地图中开展相关实验,结果表明智能体可寻找到最优路径,并且相较于传统DQN算法,学习时间更短。本研究结合好奇心和强化学习,设计了三种迷宫机器人自主导航算法,相比较于传统迷宫机器人自主导航算法,适应性更强,好奇心的引入使得机器人探索和学习过程更加高效,为迷宫机器人自主导航算法提供了新思路。

关键词：迷宫机器人好奇心算法强化学习路径规划导航

基于图像处理的迷宫机器人全局路径规划方法研究

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基于图像处理的迷宫机器人全局路径规划方法研究

作者：张丽娜天津工业大学

学位级别：硕士

迷宫机器人是一种竞赛移动机器人,其主要任务是在千变万化的未知迷宫中实现从迷宫起点到终点的高速到达,其中迷宫搜索任务是寻找从迷宫起点到终点的可行路径。本文利用图像处理技术进行全局迷宫特征信息提取,并结合全局迷宫信息对迷宫... 详细信息

迷宫机器人是一种竞赛移动机器人,其主要任务是在千变万化的未知迷宫中实现从迷宫起点到终点的高速到达,其中迷宫搜索任务是寻找从迷宫起点到终点的可行路径。本文利用图像处理技术进行全局迷宫特征信息提取,并结合全局迷宫信息对迷宫机器人的路径规划展开研究,主要内容如下:1、基于图像处理的迷宫信息提取方法研究。针对获取的迷宫图像存在数据量大、角度倾斜的噪声问题,采用灰度变换和透视变换方法进行预处理;为了避免迷宫图像亮度不均等固有缺陷,采用融合Kirsch和改进Canny算子的迷宫单元格边缘检测方法,实现了迷宫单元格的边缘特征提取;为了增强迷宫图像边缘显示,利用图像形态学原理,对迷宫单元格特征进行去噪、合并、膨胀和填充,实现迷宫图像增强;针对迷宫单元格特征,提出了一种像素分块匹配特征方法进行迷宫单元格信息匹配,实现了迷宫单元格的信息准确提取。大量实验结果表明,本文迷宫信息提取算法对亮度范围在γ＝1.1且拍摄角度30度及以上的迷宫图像信息提取正确率达到100%。2、迷宫机器人全局路径规划方法研究。为了规划节能省时的路径,主要针对耗能和耗时两方面内容进行了研究,建立了迷宫机器人运动学模型,对迷宫机器人速度变化、转弯及直行过程的耗能进行了分析,分析了不同情况下的耗能情况,对迷宫机器人不同动作的耗时进行了分析,综合耗能和耗时模型进行规划,提出了综合目标评价函数;针对基础洪水算法和权值洪水算法未能给出最优路径的问题,分析了传统算法的缺陷并提出了改进权值的洪水算法,进行了耗能较低和耗时较短约束后的路径规划,运用综合目标函数进行评价之后,找到了最优路径,验证了模型的有效性。3、迷宫机器人动作规划方法研究。针对规划后的最优路径,依据绝对方向与相对方向的转化,确定了迷宫机器人的前进方向;依据等高值矩阵,确定了前一单元格与当前所在单元格的开口方向,通过判断开口方向,对当前的前进方向进行转化,并生成了对应动作,实现了对完整路径的动作规划。4、迷宫机器人全局路径规划实验研究。基于搭建好的ROS仿真平台进行了迷宫机器人路径规划的仿真,仿真结果显示改进权值洪水算法规划后的路径优于传统搜索方法规划的路径,并在实际迷宫环境中进行方法验证,证明方法的可行性。

关键词：迷宫机器人图像处理迷宫信息提取改进权值洪水算法动作规划

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迷宫机器人控制及避碰算法研究

迷宫机器人控制及避碰算法研究

作者：何文广哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

机器人的研究涉及到自动控制、机械工程、电子技术、计算机技术等许多学科,是一门多学科的综合科学。随着智能机器人走进人们的日常生活,在军事、商场、医院、家庭等各种领域发挥着重要作用,人们对智能机器人系统的需求越来越迫切,机器... 详细信息

机器人的研究涉及到自动控制、机械工程、电子技术、计算机技术等许多学科,是一门多学科的综合科学。随着智能机器人走进人们的日常生活,在军事、商场、医院、家庭等各种领域发挥着重要作用,人们对智能机器人系统的需求越来越迫切,机器人研究也进入了崭新的发展阶段。迷宫机器人控制系统是迷宫机器人的运动控制部件,对机器人的平稳运行起着重要的作用。机器人要实现高速、高精度的位置控制和轨迹跟踪,必须依赖先进的控制策略和优良的运动控制系统。本文对迷宫机器人的总体设计、控制系统理论的分析研究、避障算法等内容从理论上进行了较全面的研究。迷宫机器人的最大特点是:通过自身对外界环境信息的感知、获取、处理,并反馈给控制系统,以控制迷宫机器人的行动与行为,实现某些预定的任务。对智能机器人的发展历史和研究动向做了简要的回顾和展望,简要介绍了迷宫机器人的结构、组成和功能,并对差速驱动的三轮式迷宫机器人进行了运动学分析以及定位计算。同时还从迷宫机器人的运动学模型出发,设计了伪线性、最优、非线性等多种控制律,并进行了计算机仿真和比较。根据路径跟踪控制的需要,选择了模糊控制的方式来改善了控制系统的性能。本文还使用了超声波传感器对迷宫机器人周围的环境进行探测,并且利用单片机技术对超声波传感器所探得的障碍物信息进行处理,提出一种新颖的模式识别算法用于迷宫机器人的自主避障。通过应用一定量的模糊规则与FKCN(模糊Kohonen聚类网络)的结合,生成了一种启发式的模糊神经网络,并且通过对该模糊神经网络进行离线的非监督式训练,建立起了超声波传感器输入信号和迷宫机器人速度之间的模式映射关系,从而实现了迷宫机器人连续快速的避障。最后,为了验证以上方法的可行性,通过Visual C++编程软件在计算机上作了各种避障情况的仿真,为进一步深入研究迷宫机器人打下了基础。

关键词：迷宫机器人超声波传感器避障模糊神经控制跟踪

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迷宫机器人路径规划算法研究

迷宫机器人路径规划算法研究

作者：朱德良东华大学

学位级别：硕士

随着科技的不断进步，机器人逐渐向智能化发展，智能机器人应运而生。智能机器人具有人的五官及大脑，可以识别周围的环境和自身的状态，并能进行分析判断，采取相应的行动。路径规划问题是智能机器人的关键技术之一，自主移动机器人如... 详细信息

随着科技的不断进步，机器人逐渐向智能化发展，智能机器人应运而生。智能机器人具有人的五官及大脑，可以识别周围的环境和自身的状态，并能进行分析判断，采取相应的行动。路径规划问题是智能机器人的关键技术之一，自主移动机器人如何在未知的、复杂的环境中自主规划从起点到终点的路径，并且躲避障碍是智能机器人的最基本、最重要的能力之一，是其它应用的基础。迷宫机器人的路径规划是智能移动机器人路径规划的典型应用，由于迷宫环境的特殊性，迷宫机器人的路径规划有着比一般避障路径规划算法更加复杂的要求。首先，本文实现了以ATMEL公司的Atmega168单片机为主芯片的迷宫机器人平台，使用两个L9110集成芯片分别控制两个直流电机，使机器人实现了前进、转弯、后退等功能。通过RS232接口与电脑相连，将算法程序下载到机器人本体，机器人根据算法程序和传感器的障碍物信息自主运行。其次，在研究了国内外智能机器人路径规划技术的基础上，本文对人工势场法、栅格法、遗传算法的路径规划进行了研究，并分别将势场法、遗传算法以及深度优先算法应用到迷宫这种特殊环境的路径规划问题上。文章最后在人工势场法和栅格法的基础上，针对迷宫的特点，设计了一个更加简单有效的离散势场算法来解决迷宫问题。接着，本文对实际迷宫进行了大量的研究分析，提出了迷宫的数字化表示方法，为计算机的仿真提供了方便。文章分析了迷宫中存在的八种路况，提出了相应的解决方案。最后，对全文工作进行了总结，并对机器人路径规划技术进行了展望。

关键词：迷宫机器人路径规划人工势场遗传算法离散势场

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融合可见光指纹的迷宫机器人路径规划算法

电讯技术 2020年第9期60卷 1096-1101页

作者：张月霞刘冲北京信息科技大学通信工程学院北京100101

针对复杂迷宫环境下移动机器人路径规划中存在的寻路时间较长、效率较低等问题,提出了一种将可见光指纹信息与A*算法相融合的迷宫机器人路径规划算法。该算法引入局部、全局障碍密度参量对A*算法的评价函数进行优化,使评价函数可以自适... 详细信息

针对复杂迷宫环境下移动机器人路径规划中存在的寻路时间较长、效率较低等问题,提出了一种将可见光指纹信息与A*算法相融合的迷宫机器人路径规划算法。该算法引入局部、全局障碍密度参量对A*算法的评价函数进行优化,使评价函数可以自适应障碍物密度;同时引入可见光指纹信息,利用障碍物对可见光光源的遮挡程度来判断各方向路径是否通畅,解决了A*算法在寻路进程中无法预见后续障碍物的问题。仿真结果表明,基于可见光指纹的改进A*算法能够有效减少传统A*算法的路径搜索点数量,平均寻路效率提高了43.5%,具有一定的应用价值。

关键词：迷宫机器人路径规划可见光指纹 A*算法

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离散势场在迷宫机器人路径规划上的应用

微计算机信息 2007年第26期23卷 252-253,78页

作者：朱德良东华大学信息科学与技术学院

针对迷宫这一特殊的复杂环境,在分析传统人工势场法的不足的基础上,本文提出离散势场概念,来解决其路径规划问题。在初始化的离散势场基础上,根据传感器信息调整势场值,该算法可以使迷宫机器人的行走路径达到最优化。最后进行了计算机仿... 详细信息

针对迷宫这一特殊的复杂环境,在分析传统人工势场法的不足的基础上,本文提出离散势场概念,来解决其路径规划问题。在初始化的离散势场基础上,根据传感器信息调整势场值,该算法可以使迷宫机器人的行走路径达到最优化。最后进行了计算机仿真,结果表明,该算法在迷宫这样的复杂环境下能有效地实现路径规划。

关键词：离散势场迷宫机器人路径规划

基于嵌入式系统的迷宫机器人路径规划算法研究

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基于嵌入式系统的迷宫机器人路径规划算法研究

作者：刘世泽西安建筑科技大学

学位级别：硕士

随着科技技术的进步，从无人驾驶飞机到生产线上的机械手臂，从教学机器人到娱乐机器人,智能移动机器人在生产生活得到了越来越广泛的应用。其中迷宫机器人是目前研究的一个热点。本论文以在迷宫中可以自主进行路径规划的机器人为研究... 详细信息

随着科技技术的进步，从无人驾驶飞机到生产线上的机械手臂，从教学机器人到娱乐机器人,智能移动机器人在生产生活得到了越来越广泛的应用。其中迷宫机器人是目前研究的一个热点。本论文以在迷宫中可以自主进行路径规划的机器人为研究对象，主要对其算法进行了深入的研究，通过对比深度优先搜索算法、广度优先搜索算法、Flood及其改进算法进行优化选取，以及记忆功能实现和优化，和运动控制等方面提出改进措施。同时对它的控制系统，微控制器系统，电源电路各个模块，车体结构等方面进行设计研究。首先，通过阅读大量参考文献与实验，完成了车体结构的总体设计。经过调试，完成了最小系统，各电源电路模块的设计和零部件的选取。绘制了系统原理图,完成了硬件的设计。其次，主要对一些经典的算法和改进算法应用于迷宫问题的求解，通过对比给出了深度优先搜索算法、广度优先搜索算法、Flood及其改进算法的优缺点，最终确定本论文将采用洪水算法结合向心法则来对迷宫进行探索，在此算法基础上通过优化后记忆功能使得迷宫机器人的探索更为有效和快速，利用实验证明其在求解迷宫问题上的可行性。最后，针对迷宫机器人在实际行走迷宫过程中行走姿态和电机进行控制，对转弯和直线加速进行优化，确保其顺利高效地完成迷宫搜索任务。论文给出了机器人走迷宫的详细硬件设计和软件实现过程，实现了迷宫机器人在无人干预的情况下自主完成迷宫探索任务。

关键词：迷宫机器人路径规划洪水算法向心法则迷宫记忆