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机器人学及其智能控制

第九章移动机器人概述移动机器人概述移动机器人的体系结构对于一个具体的移动机器人而言，体系结构的研究主要是设计一个能够将传感器、规划器和控制器等模块联系在一起的系统，即机器人信息处理和控制系统的总体结构。近年来，移动机器人体系结构的研究得到许多学者的关注，其中典型的体系结构有分层递阶式、反应式和混合式三种类型。移动机器人概述分层递阶式体系结构分层递阶式体系结构是把各种模块分成若干层次，使不同层次上的模块具有不同的工作性能和操作方式。其广泛遵循的原则是依据时间和功能来划分体系结构中的层次和模块。其中，最有代表性的是美国航天航空局（NASA）和美国国家标准局（NBS）提出的NASREM的结构。在这种体系结构中，移动机器人各个模块的工作是按照“感知—建模—规划—行动”顺序执行，以前一个模块的输出结果作为后一个模块的输入数据。这种递阶式体系结构使各个模块之间的划分变得容易实现，而且高层模块在功能上的智能化处理也变得简单了。移动机器人概述反应式体系结构美国麻省理工学院的Brooks提出了基于行为的反应式体系结构，又称包容式体系结构。与分层递阶式体系结构把系统分解成功能模块，并按“感知—建模—规划—行动”过程进行构造的串行结构不同（如图9.1所示）；包容式体系结构是一种完全的反应式体系结构，是基于“感知—行动”之间映射关系的并行结构（如图9.2所示）。移动机器人概述图9.1按功能划分的串行结构图9.2按行为划分的并行结构移动机器人概述混合式体系结构随着各方面需求的增加，人们对系统的体系结构的研究也越来越深入，人们对移动机器人的需求也越来越高，移动机器人系统的复杂程度也随之提高，相应的系统的稳定性和实时性的要求也变得很高，同时也逐渐的开展了对多机器人协调合作的研究。随着对系统要求的提高，单一的一种基于功能或者行为分解的系统结构已经无法满足现在的系统要求，因此，对功能和行为分解进行融合就成为了现在人们对系统体系结构研究的重点方向。移动机器人概述较典型的是Oxford的H.S.Hu提出的混合结构。该结构主要可以分为低层的基于数据反馈的行为控制和高层的智能规划两部分。高层可以向低层下发命令，同样的，低层也可以将它的数据共享给高层。这样就满足了系统对于智能性和实时性的要求。但在这个领域中仍有许多问题需要进一步研究解决，主要有：（1）对多个模块之间的协调合作和系统的扩展性研究；（2）对基于功能分解和行为分解的两种体系结构合理融合的研究；（3）对各个系统之间的交流和学习的研究。移动机器人概述移动机器人的运动学模型目前，机器人学界对机械手的运动学和动力学已经了解得相当全面了。然而，移动机器人是一个独立的自动化系统，它能相对于环境整体地移动，其工作空间定义了在移动机器人的环境中，它能实现的可能姿态的范围。由于移动机器人独立和移动的本质，没有一个直接的方法可以瞬时测量出移动机器人的位置，而必须随时将机器人的运动集成，以间接获取机器人的位置。因此，机械手主要考虑的是

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