基于自主行为控制的月球车运动规划

摘要

月球车是我国月球探测二期工程中最重要的组成部分，运动规划则是月球车具备自主能力的根本保证，也是月球车实现自主控制的难点。本文以六轮独立驱动的摇臂式月球车为研究对象，在自主提取地形信息的前提下，给定起始点、目标点、以及某些运动学与动力学的约束条件，规划出月球车所要经过的路径站点序列，即找到一条从起始位置到目标位置的无碰撞路径，并通过自主避障控制达到月球车在真实环境下运行十几米或几分钟以上。 首先提出了基于自主行为控制的月球车运动规划结构。该结构是慎思与行为的混合范式，保证了月球车运动规划系统具有较强的鲁棒性和应激性，并且通过该结构的黑板体系，使月球车实现高效的管理与协作。基于自主行为控制的月球车运动规划结构主要分为全局路径规划，行为控制，驱动控制，轨迹跟踪等模块。 全局路径规划是基于环境的先验知识，规划出一条从起始点到目标点的最优路径，并将路径离散化为一系列站点，作为局部行为控制的目标点。其主要包括环境建模和路径搜索两部分。本文采用分级递归法对环境建模，解决了栅格法产生的数字化偏差、存储空间大及自由空间浪费等问题，为提高路径搜索速度奠定了基础。针对环境模型，设计了适用于静态环境的加权A木算法和适用于动态环境的改进型D<'*>Lite算法。 行为控制是将相邻两个站点间的月球车运动规划任务分解为趋向目标、避障和沿障碍行走三个基本行为。它们是由下到上的优化过程，即首先满足地形、月球车传送性能及月球车驱动控制约束，然后满足月球车的安全约束及路径最优或次优条件，最后计算得到月球车驱动控制指令，即月球车体坐标系参考点的平动与转动速度。在月球车运动规划过程中，需要根据局部的环境信息选择相应的行为。设计状态自动机实现月球车的行为选择，并给出基本行为的激励条件。当多个基本行为同时被激发时，考虑各个基本行为所占的权重，进行行为融合。 最后在上述工作的基础上，进一步研究了月球车三维运动规划问题，提出了基于通行性的月球车三维运动规划方法。该方法首先对障碍物进行分类，分离出可越过的障碍物和完全不可越过的障碍物，并得到着色障碍分类图。然后计算着色障碍分类图中可越过障碍物区域的坡度值。根据障碍物的分类和坡度值，计算地形的通行性指数，作为月球车三维运动规划的评价指标。实验结果表明基于通行性的三维运动规划方法规划出的路径和月球车沿该路径行走的时间明显优于二维运动规划的结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1课题来源

1.1.2课题背景及意义

1.2月球车及其他深空探测机器人研究

1.2.1月球探测

1.2.2其他深空探测机器人

1.3月球车运动规划国内外研究现状

1.3.1路径规划算法的研究

1.3.2避障算法的研究

1.3.3动态环境规划算法的研究

1.4本文的主要内容

1.4.1本文的研究思路及方法

1.4.2文章的结构安排

第2章月球车运动规划系统

2.1月球车机械结构及配置

2.2研究目标

2.3月球车运动规划体系结构

2.3.1分级范式

2.3.2行为范式

2.3.3慎思/行为混合范式

2.4基于自主行为控制的月球车运动规划系统

2.5本章小结

第3章月球车全局路径规划

3.1环境建模

3.1.1栅格法

3.1.2分级递归法

3.2静态环境路径规划

3.2.1基于分级递归的加权A*算法

3.2.2仿真实验

3.2.3算法证明

3.3动态环境路径规划

3.3.1 D*算法

3.3.2 D*Lite算法

3.3.3仿真实验

3.4本章小结

第4章基于自主行为控制的月球车运动规划

4.1行为分解

4.2趋向目标行为

4.2.1建立势场

4.2.2行为设计

4.2.3仿真实验

4.2.4算法改进

4.3避障行为

4.3.1建立动态窗

4.3.2地理-车体坐标转换

4.3.3行为设计

4.3.4约束条件

4.3.5仿真实验

4.4沿障碍行走行为

4.4.1行为设计

4.4.2行为表达

4.4.3仿真实验

4.4.4算法证明

4.5行为协调

4.5.1行为选择

4.5.2行为融合

4.6本章小结

第5章基于通行性的月球车三维运动规划

5.1三维地形描述

5.1.1障碍物分类

5.1.2坡度计算

5.2通行性指数

5.3月球车三维运动规划

5.3.1月球车三维运动规划

5.3.2仿真实验

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢