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物品自动运送机器人（ACR）原型系统控制体系结构研究

作　者: 冯文镛
导　师: 陈鹰
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 智能机器人（IRS）自主移动机器人（AMR）物品自动运送机器人（ACR）控制体系结构任务规划产生式系统状态空间法计划空间法问题归约分层递阶规划任务管理状态推理系统过程推理系统（PRS）有穷状态自动机局部路径规划全局路径规划遗传算法
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

机器人，尤其是智能机器人，作为人类自身能力的一种延伸，能够极大地提高人类的生产力和改善人类的生存环境。在过去的数十年中，各种不同类型的工业机器人已被广泛应用于各类生产制造领域，促进了制造业的蓬勃发展。近年来，随着各种基础理论和单元技术研究不断获得新的进展，(智能)机器人应用已逐步进入较制造业更为广阔的民用服务领域。与此同时，复杂的民用服务应用也对(智能)机器人的研究、设计和实现提出了更高的要求。 (智能)机器人的研究和应用对提高劳动生产率、推动科技发展具有重要意义，同时也成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的一个重要标志。由于我国对(智能)机器人的研究起步较晚，与某些发达国家(如美国和日本)之间存在较大的差距。在此背景下，我们根据目前所具备的研究基础和实际条件，规划了一个有望在多种民用服务领域获得较广泛应用的物品自动运送机器人(ACR)原型系统研究项目。希望通过对ACR原型系统的研究，为将来的各种实际民用服务机器人系统的研究和实现打下一定的基础。论文内容仅是ACR原型系统项目研究工作的一部分，其主要内容是关于智能机器人(IRS)控制体系结构的研究，目标是在对目前各种典型IRS控制体系结构深入研究的基础上，为ACR原型系统以及将来可能实现的各种实际ACR系统建立一个高可靠性的、灵活的、可扩展的、开放式的控制体系结构。第一章介绍了目前国内外服务机器人与自主移动机器人的研究状况，提出了物品自动运送机器人(ACR)及其原型系统的概念，并对目前已有的典型IRS控制体系结构作了分析比较研究。第二章在对ACR原型系统的功能目标进行具体分析和细化的基础上，给出了ACR原型系统的整体硬件结构设计方案。基于一个灵活的通信系统，为ACR原型系统建立了一个开放式的整体控制硬件架构，使得新的功能组成部分的加入变得简单易行。第三章在对ACR原型系统的任务目标进行详细分析的基础上，参考第一章中对各种典型IRS控制体系结构的分析，为ACR原型系统建立了一个基于分层递阶思想的IRS控制体系结构理论模型，并对理论模型的各个组成部分以及所涉及到的基本概念作了较详细的说明。最后，在理论模型的基础上，建立了ACR原型系统控制体系结构的实现模型。第四章讨论了诸如状态空间法、计划空间法、问题归约以及分层递阶规划等各种高层任务规划方法以及这些规划方法的综合集成，并使用这些方法解决了ACR原型系统的某些典型高层任务规划问题。给出了高层任务规划中的时间和资源约束问题的一种解决方案，最后描述了ACR原型系统的高层任务规划子系统的基本结构和整体规划流程。第五章根据对ACR原型系统高层任务管理的需求特性分析，选择了过程推理系统用于具体实现决策层的高层任务管理器，并详细描述了具体实现方案。对决策层高层任务管理的实时性进行了分析，并探讨了高层任务管理中的故障和错误的恢复问题。第六章对ACR原型系统控制体系结构任务执行层的具体特性作了详细分析，将任务执行层分解为状态/事件监视、任务执行控制以及故障诊断与恢复三部分，并分别针对这三部分的功能特性、组织结构以及运行机制等作了详细描述。同时，还为任务执行层定义了一种具体的任务描述形式化语言，用于编制任务执行层的任务过程。第七章对ACR原型系统控制体系结构功能层的具体特性作了详细分析，为功能层建立了一个由不同功能模块组成的开放式体系结构。通过对模块内部所包含的功能/活动进行分类组织，建立了模块的功能模型。为所有功能模块的具体实现提出了一个通用框架结构，探讨了不同模块间的具体通信问题以及模块的自动/半自动生成的实现方案。浙江大学博士学位论义摘芙第八章详细讨论了ACR原型系统的局部路径规划和全局路径规划问题。针对自由导引模式，给出了一种以最小转弯次数为首要规划目标的最优局部路径规划算法，并针对此算法提出了一种环境建模方法。在局部路径规划的基础上，提出了一种基于遗传算法的全局路径规划算法。第九章描述了ACR原型系统自主移动平台的几个典型实验方案及结果，并对实验结果进行了分析。第十章对全文进行了总结，指出了论文的不足之处，并对今后的研究工作进行展望。

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-13
第一章绪论  13-30
  §1．1 机器人与机器人学  13-14
  §1．2 工业机器人与服务机器人  14-16
  §1．3 自主移动机器人  16-19
    §1．3．1 关于自主移动机器人  16-17
    §1．3．2 自主移动机器人的发展  17-19
  §1．4 物品自动运送机器人（ACR）及其原型系统  19-21
    §1．4．1 物品自动运送机器人（ACR）  19-20
    §1．4．2 物品自动运送机器人（ACR）原型系统  20-21
  §1．5 智能机器人（IRS）控制体系结构  21-28
    §1．5．1 关于智能机器人控制体系结构  21-22
    §1．5．2 典型智能机器人控制体系结构研究分析  22-28
  §1．6 论文研究内容及体系结构  28-30
第二章 ACR原型系统的硬件结构设计  30-43
  §2．1 引言  30
  §2．2 ACR原型系统的具体功能目标分析  30-32
  §2．3 ACR原型系统的整体控制结构  32-35
  §2．4 自主移动平台  35-40
  §2．5 物品存取机械手  40-41
  §2．6 物品存储机构  41-42
  §2．7 辅助系统  42
  §2．8 本章小结  42-43
第三章 ACR原型系统控制体系结构理论研究  43-65
  §3．1 引言  43
  §3．2 IRS控制体系结构设计的基本目标  43-44
  §3．3 ACR原型系统任务目标分析  44-46
  §3．4 ACR原型系统控制体系结构的理论模型研究  46-60
    §3．4．1 IRS的基本组成单元  46-47
    §3．4．2 基本智能单元（Basic Intelligent Element）  47-48
    §3．4．3 基于分层递阶思想的控制体系结构理论模型  48-49
    §3．4．4 控制体系结构理论模型的层次特性分析  49-50
    §3．4．5 行为发生  50-53
    §3．4．6 世界模型  53-55
    §3．4．7 感知处理  55-57
    §3．4．8 控制体系结构理论模型的简化  57-59
    §3．4．9 ACR原型系统的控制体系结构理论模型  59-60
  §3．5 ACR原型系统控制体系结构的实现模型研究  60-64
    §3．5．1 基于分层递阶思想的控制体系结构实现模型  61-63
    §3．5．2 ACR原型系统的控制体系结构实现模型  63-64
  §3．6 本章小结  64-65
第四章 ACR原型系统的高层任务规划  65-90
  §4．1 引言  65-66
  §4．2 产生式系统（Production System）  66-68
    §4．2．1 产生式系统的基本组成  66-67
    §4．2．2 产生式系统的知识表示  67-68
    §4．2．3 产生式系统的推理方式  68
  §4．3 基于状态空间法的高层任务规划  68-72
    §4．3．1 问题状态描述  68-69
    §4．3．2 基于STRIPS表达的任务规划方法  69-70
    §4．3．3 使用状态空间法进行高层任务规划  70-72
  §4．4 基于计划空间（Plan Space）法的高层任务规划  72-75
    §4．4．1 计划空间法  72-73
    §4．4．2 使用计划空间法进行高层任务规划  73-75
  §4．5 问题归约（Problem Reduction）  75-80
    §4．5．1 问题归约描述  75-76
    §4．5．2 问题归约表示  76
    §4．5．3 问题归约机理  76-80
    §4．5．4 问题归约同其它规划方法的综合  80
  §4．6 分层递阶规划（Hierarchical Planning）  80-83
    §4．6．1 问题描述  81
    §4．6．2 应用分层递阶规划  81-83
  §4．7 高层任务规划中的时间及资源约束  83-88
    §4．7．1 问题描述  83-84
    §4．7．2 时间约束  84-87
    §4．7．3 资源约束  87-88
  §4．8 ACR原型系统高层任务规划的整体流程  88-89
  §4．9 本章小结  89-90
第五章 ACR原型系统的高层任务管理  90-106
  §5．1 引言  90-91
  §5．2 状态推理系统（Situated Reasoning System）  91-94
    §5．2．1 状态推理系统的主要特性  92-93
    §5．2．2 实现状态推理系统的典型方法  93-94
    §5．2．3 状态推理系统实现方法的选择  94
  §5．3 高层任务知识的表达  94-98
    §5．3．1 过程性知识  94-95
    §5．3．2 高层任务知识的表达  95-98
  §5．4 高层任务管理器的整体结构  98-100
  §5．5 高层任务管理器的运行机制  100-102
  §5．6 高层任务管理的实时性分析  102-103
  §5．7 高层任务管理的错误恢复  103-105
  §5．8 高层任务管理的分层递阶特性  105
  §5．9 本章小结  105-106
第六章 ACR原型系统的任务执行控制  106-129
  §6．1 引言  106-107
  §6．2 任务执行层的整体结构  107-108
  §6．3 执行层的任务描述语言  108-111
  §6．4 执行层的状态/事件监视管理（SM）  111-114
    §6．4．1 状态/事件监视管理（SM）的基本结构  111-112
    §6．4．2 状态/事件监视的基本类型  112-114
  §6．5 执行层的任务执行控制（EM）  114-121
    §6．5．1 任务执行控制（EM）的基本结构  115-116
    §6．5．2 任务过程的解释执行  116-119
    §6．5．3 任务执行控制（EM）的运行机制  119-121
  §6．6 执行层的故障诊断与恢复（DRM）  121-128
    §6．6．1 故障诊断与恢复（DRM）的基本结构  121-122
    §6．6．2 错误分析与故障诊断  122-125
    §6．6．3 错误恢复  125-128
  §6．7 本章小结  128-129
第七章 ACR原型系统的功能层  129-150
  §7．1 引言  129-130
  §7．2 功能层——由不同模块（Module）组成的动态组织结构  130-133
    §7．2．1 模块（Module）  130-131
    §7．2．2 模块间的动态联系  131
    §7．2．3 活动（Activity）  131-132
    §7．2．3 活动间的冲突解决  132-133
  §7．3 模块的功能模型  133-138
    §7．3．1 功能/活动（Function/Activity）  133-134
    §7．3．2 功能/活动的类型  134-136
    §7．3．3 模块的功能模型  136-138
  §7．4 模块的实现  138-143
    §7．4．1 模块的整体结构  139
    §7．4．2 模块接口  139-141
    §7．4．3 IDS与EDS  141
    §7．4．4 模块的管理  141-142
    §7．4．5 活动的执行  142-143
  §7．5 模块间的通信  143-147
    §7．5．1 “请求/答复”通信  143-145
    §7．5．2 数据共享通信  145-147
  §7．6 模块的自动生成  147-149
    §7．6．1 模块的自动生成流程  147-148
    §7．6．2 模块的形式化描述  148-149
  §7．7 本章小结  149-150
第八章 ACR原型系统的路径规划问题研究  150-164
  §8．1 引言  150
  §8．2 局部路径规划  150-157
    §8．2．1 MT路径规划算法  151-154
    §8．2．2 实际环境建模  154-156
    §8．2．3 在实际环境模型中应用MT算法  156-157
  §8．3 全局路径规划  157-163
    §8．3．1 全局路径规划问题描述  157-158
    §8．3．2 全局路径规划的GA算法  158-162
    §8．3．3 仿真试验及分析  162-163
  §8．4 本章小结  163-164
第九章试验结果与分析  164-176
  §9．1 试验背景  164
  §9．2 基本控制试验  164-166
    §9．2．1 轨线跟踪试验  164-165
    §9．2．2 直角转弯试验  165
    §9．2．3 离散点跟踪试验  165-166
  §9．3 分层递阶规划及控制试验  166-172
    §9．3．1 控制程序设计  166-171
    §9．3．2 试验结果  171-172
  §9．4 事件——响应试验  172-174
  §9．5 错误恢复试验  174-175
  §9．6 本章小结  175-176
第十章总结与展望  176-178
  §10．1 全文总结  176-177
  §10．2 研究不足与展望  177-178
参考文献  178-185
发表论文  185-186
致谢  186

物品自动运送机器人（ACR）原型系统控制体系结构研究

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