检索结果-内蒙古大学图书馆

现代制造工程 2025年第1期 33-41页

作者：谢子健秦建军曹钰北京建筑大学机电与车辆工程学院北京100044 北京市建筑安全监测工程技术研究中心北京100044

四足机器人在非结构化地形的运动控制高度依赖于复杂的动力学模型和控制器设计,利用深度强化学习方法设计四足机器人控制器已成为趋势。针对在深度强化学习训练过程中收敛较慢、容易陷入局部最优解及计算资源消耗较大等问题,提出一种融... 详细信息

四足机器人在非结构化地形的运动控制高度依赖于复杂的动力学模型和控制器设计,利用深度强化学习方法设计四足机器人控制器已成为趋势。针对在深度强化学习训练过程中收敛较慢、容易陷入局部最优解及计算资源消耗较大等问题,提出一种融合记忆组件的双延迟深度确定性策略梯度(Memory-integrated Twin Delayed Deep Deterministic policy gradient,M-TD3)算法。首先,对四足机器人以及非结构化地形建模;其次,分析M-TD3算法收敛状态与学习效率;最后,为验证控制器性能,针对多种地形进行运动控制仿真对比并制作样机进行测试。仿真结果表明,相较于传统TD3算法,M-TD3算法收敛更快,效率更高,运动控制性能有显著改善,样机测试结果证明基于改进TD3算法所设计的控制器能够让四足机器人在非结构化地形进行有效的运动越障。

关键词：四足机器人非结构化地形深度强化学习 TD3算法

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多信息融合的无人平台非结构化地形识别与重建研究

多信息融合的无人平台非结构化地形识别与重建研究

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作者：张颂奇吉林大学

学位级别：硕士

无人平台常行驶在非结构化地形,获取有效的地形信息是实现其自主化的前提。本文基于视觉图像、激光点云等多信息的融合,研究非结构化地形的类型识别与场景分割、地形三维空间信息构建以及地形三维重建,为无人平台对非结构化地形的感知... 详细信息

无人平台常行驶在非结构化地形,获取有效的地形信息是实现其自主化的前提。本文基于视觉图像、激光点云等多信息的融合,研究非结构化地形的类型识别与场景分割、地形三维空间信息构建以及地形三维重建,为无人平台对非结构化地形的感知提供依据和参考。根据研究现状,具体工作如下:(1)双目相机标定与点云预处理研究基于双目相机与激光雷达等多信息融合设计无人平台对非结构化地形的感知方案。建立相机模型与对极几何模型,求解相机的内参、外参、畸变参数等,进而求解双目相机间的标定参数并对立体图像对进行校正,使其满足极线约束。在建立点云拓扑结构的基础上进行体素滤波和离群点云剔除等点云预处理。(2)基于深度网络的非结构化地形识别研究将地形识别研究分为地面类型识别与地形场景分割两部分。提取地形图像的低层特征,并与Res Net-50网络提取的深层特征融合,以极限学习机为分类器搭建了地面类型识别模型,使用自建的地形图像数据集进行模型训练与极限学习机输出权值求解;基于Deep Lab V3+网络搭建了地形场景分割模型,在解码过程中加入一层低层特征的融合来提高细节分割效果,使用Sift-flow数据集进行模型的训练。(3)面向重建的地形三维点云构建研究双目立体匹配的构建研究中,引入微分动态时间规整,并通过唯一性检测来获取稳定的匹配视差边界,以提高匹配的精度和效率,并采用半全局匹配的代价聚合方法获取更准确的代价值;对于激光点云的盲区问题,将运动路径中的历史点云与当前激光点云,通过融合无人平台的定位和姿态信息进行粗配准,再通过点对面ICP精配准获得更准确的补偿结果,来填补激光点云盲区中的地形三维坐标信息;通过激光雷达与视觉特征融合进行构建,将立体图像的SIFT特征点匹配所还原的点云,通过配准与激光点云融合。(4)基于离散点云的地形重建研究根据地形场景分割结果对地形点云进行场景类别标记,一方面为地形点云赋予地形表面三维坐标以外的类别属性信息,另一方面可以用来剔除天空等区域的错误点云,避免影响地形重建结果;根据DBSCAN聚类算法中邻域半径和最小邻域点数两参数的单调性通过交叉迭代进行自适应参数寻优,并根据聚类结果对点云分类,点云聚类集合表示满足密度联通条件的连通区域;通过构建可伸缩包围盒来实现更快速的近邻点查找,使用投影法和生长法组合的网格构建算法恢复点云间的空间拓扑关系,实现地形的地形表面的网格构建;对构建的地形表面网格进行曲面细分的精细化处理,使重建模型能够近似估计真实的地形表面。最终,构建带有类别标签的精细化地形重建模型。

关键词：无人平台非结构化地形地形识别地形重建双目视觉点云配准

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一种面向非结构化地形的四足机器人设计与控制研究

一种面向非结构化地形的四足机器人设计与控制研究

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作者：张彬北京邮电大学

学位级别：硕士

四足机器人相比于其它类型的机器人具有更强的地形适应性,其依靠腿足运动能够应对非结构化地形环境,实现在复杂地形下的自适应稳定行走。而吸附式爬行机器人由于其灵活的空间运动能力,可在复杂表面开展大范围的行走与操作,广泛应用于工... 详细信息

四足机器人相比于其它类型的机器人具有更强的地形适应性,其依靠腿足运动能够应对非结构化地形环境,实现在复杂地形下的自适应稳定行走。而吸附式爬行机器人由于其灵活的空间运动能力,可在复杂表面开展大范围的行走与操作,广泛应用于工业、军事、航天、社会生活中。针对四足机器人行走稳定性和地形适应性的问题,本文设计了一种四足吸附式爬行机器人,对其面向非结构化地形行走的步态与控制展开研究,并通过联合仿真验证了其步态规划及控制算法的有效性。本文主要研究工作以及成果如下:(1)四足机器人结构设计与运动学分析。设计了一种通过足端和腹部黏附爬行的机器人,对其腿结构进行静态受力分析及有限元分析,完成机器人运动学建模。(2)四足机器人步态规划与稳定性分析。提出了机器人地面行走和壁面行走的稳定性判据,规划了地面行走的3+1步态和壁面行走的蠕动步态,并对其稳定性进行了分析。(3)地形感知与身体自适应控制。针对机器人面向非结构化地形行走问题,利用机器人腿部力传感器感知地形参数,通过调整机器人身体的高度和姿态,实现对非结构化地形的自适应行走,并对足端轨迹进行了规划。(4)动力学与控制系统联合仿真与分析。通过搭建机器人动力学与控制系统联合仿真平台,完成机器人不同步态的仿真实验,并对机体位移、足端轨迹等仿真结果进行分析,从而验证了其结构设计、步态规划、稳定性理论及控制算法的有效性。

关键词：四足机器人非结构化地形步态规划仿真分析

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基于激光雷达的工程车辆非结构化地形感知研究

基于激光雷达的工程车辆非结构化地形感知研究

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作者：吴锦进厦门大学

学位级别：硕士

工程车辆常行驶于非结构化地面,快速且准确地重建复杂多变的非结构化地形,并对其特征进行识别与分类是实现工程车辆自主安全稳定行驶的前提和基础。本文围绕基于激光雷达的非结构化地形环境感知展开研究,基于激光雷达、惯性测量单元（IM... 详细信息

工程车辆常行驶于非结构化地面,快速且准确地重建复杂多变的非结构化地形,并对其特征进行识别与分类是实现工程车辆自主安全稳定行驶的前提和基础。本文围绕基于激光雷达的非结构化地形环境感知展开研究,基于激光雷达、惯性测量单元（IMU）等多传感器信息融合,研究非结构化地形三维点云准确重构,数据模型的高效预处理以及地形障碍物特征的准确识别与分类问题,为工程车辆的非结构化地形实时感知和实现其自主安全稳定行驶提供依据和参考。本文研究的具体工作为:（1）非结构化地形的准确三维点云重构。针对非结构化地形点云密度不均匀、噪声多的特点,提出包含粗配准和精配准的两步配准方法。粗配准使用多传感器数据结合改进航位推算法实现高效粗匹配,精配准则提出基于邻域信息的改进ICP算法。同时,搭建多传感器数据采集处理系统,实时地获取及处理各种数据,结合本文两步配准方法,实现对地形的三维点云重构。（2）研究针对非结构化地形点云的预处理方法。为了提高获取的地形点云的质量,强化后续地形特征提取效果,本文首先通过构造组合滤波方法实现点云的密度均匀化、平滑去噪和离群点剔除。然后设计算法逐步提取点云空洞区域的边界。最后基于三角片构造的思想,依托边界生成填充点,并最终实现空洞补全。（3）非结构化地形点云障碍物提取、聚类分割与凹凸分类。首先基于可行性分析,并通过引入高斯核函数估计,将图像边缘检测和优化方法应用于点云障碍物的提取。然后通过超体素分割改善欧式聚类方法的抗噪能力,实现鲁棒的单个障碍物分割。最后基于障碍物的剖面分析,提出快速准确的障碍物凹凸性判别方法,初步判定地形中的危险区域及其类型。综上所述,本文面向非结构化地形数据获取、预处理到特征提取的整个地形感知的全过程,拟解决由非结构化地形特点引起的地形数据不准确、干扰信息过多和障碍物提取分类困难等关键问题,初步实现了非结构化地形中潜在危险区域的准确辨别,其研究结果可为工程车辆的非结构化地形环境感知提供参考。

关键词：工程车辆非结构化地形点云重构预处理地形障碍物

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面向非结构化地形的四足机器人运动控制方法研究

面向非结构化地形的四足机器人运动控制方法研究

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作者：王柳丰中国科学技术大学

学位级别：硕士

腿足式机器人是向自然学习的产物,与传统的轮式/履带式机器人相比,腿足式机器人的离散运动方式在非结构化地形上具有更好的通过能力,其中四足机器人凭借其结构简单、性能稳定的优势被广泛研究。对于仅依靠本体感觉的四足机器人,非结构... 详细信息

腿足式机器人是向自然学习的产物,与传统的轮式/履带式机器人相比,腿足式机器人的离散运动方式在非结构化地形上具有更好的通过能力,其中四足机器人凭借其结构简单、性能稳定的优势被广泛研究。对于仅依靠本体感觉的四足机器人,非结构化地形的复杂性和不可预见性给关于它的运动控制方法带来了巨大挑战。针对上述问题,本文对四足机器人运动控制中的运动学建模、步态规划与地形自适应以及动力学控制等方面进行了研究,具体内容如下:(1)基于DH法对四足机器人进行运动学建模,推导了其正逆运动学方程和几何雅可比矩阵,并给出了相应的封闭式解,在此基础上,使用蒙特卡洛法绘制了四足机器人足端的工作空间并对其范围进行了近似求解,为四足机器人的运动规划、动力学控制提供了模型基础。(2)通过添加足端接触反馈支路构建了四足机器人的闭环步态控制系统,在此基础上,提出了基于触地检测的步态规划策略与算法,改进了基于时间规划的传统策略,解决了四足机器人在非结构化地形中摆动腿与地面过早或过晚接触的问题,有效保证了四足机器人在非结构化地形下行走的稳定性和步态的完整性。接着,基于正运动学和腿部相位状态集合提出了对于地形参数的估计策略与方法,利用估计的地形参数信息提出了四足机器人机身姿态和质心高度的自适应控制算法,实现了四足机器人在坡地、崎岖路面等非结构化地形上的稳定行走,提高了机器人对非结构化地形的适应能力。(3)基于单刚体动力学模型建立了四足机器人的动力学控制模型,使用带摩擦锥约束的二次规划方法求解了期望足端接触力,在此基础上,构建了基于接触力前馈的动力学控制系统,实现了对四足机器人的动力学控制。使用虚拟模型控制方法对基于接触力前馈的力控系统进行优化,进一步提出了基于接触力前馈的全身力控系统,解决腿部位形对质心运动规划的适应问题。提出了足端接触面摩擦锥方向的近似估计策略,提高了期望足端接触力的准确性。此外,对于摆动腿的控制,基于Raibert方法和捕获点理论给出了腿部落足位置,并基于贝塞尔曲线设计了足端摆动轨迹,最后使用阻抗控制实现了摆动腿的柔顺控制。通过仿真实验,验证了上述算法的有效性和可靠性。

关键词：四足机器人非结构化地形步态规划动力学控制

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面向非结构化地形的六足步行机器人运动规划研究

面向非结构化地形的六足步行机器人运动规划研究

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作者：王立浙江理工大学

学位级别：硕士

六足步行机器人相对于其它类型的机器人具有更强的地形适应性,能够适应复杂的非结构化地形,在工程探险、军事侦察、灾难救场等方面具有广泛的用途。本文结合非结构化环境的地形特征,从整体上对六足步行机器人的运动规划进行了分析研究... 详细信息

六足步行机器人相对于其它类型的机器人具有更强的地形适应性,能够适应复杂的非结构化地形,在工程探险、军事侦察、灾难救场等方面具有广泛的用途。本文结合非结构化环境的地形特征,从整体上对六足步行机器人的运动规划进行了分析研究。首先,本文从非结构化地形的构建入手,对非结构化环境进行了全局地貌特征和局部地貌特征的分析,将特征描述和拓扑表示两个方面相结合,建立了适合本文所需的非结构化地形模型。其次,在对非结构化地形进行建模之后,通过采用统一参考坐标系的方法建立了六足步行机器人的运动学数学模型,对站立腿和摆动腿分别进行了正逆运动学分析,并对机器人的运动速度及加速度进行了公式推导,为以后进行的各种运动规划奠定理论基础。接着,在非结构化地形和运动学模型都建立好的基础上,对机器人在运动过程中所采用的步态进行了优化分析,设定了适合非结构化地表行走的三角步态和四边形步态,这两种步态首先保证了机器人运动过程中的稳定性,同时根据足端优先级的先后顺序运动,提高了运动效率。在稳定性的分析中,采用能量稳定裕度方法,忽略惯性力矩和外力矩的影响,分别对平缓和崎岖的非结构化地形进行了仿真分析。在路径和机器人运动学条件的约束下,对机器人足端轨迹采用类抛物线轨迹,这样既节省了时间、减少了消耗,又保证了机器人机体与地表不发生干涉,保证了运动的连续性;在有限的距离内,对机器人运动轨迹规划,使之能在这个过程中完成上下坡运动、左右转弯、避障以及直线运动等各种运动形式。在控制过程中,通过I/O口输入输出信号的准确性,保证机体和足端在运动过程中的协调统一。最后,通过仿真研究,验证了六足机器人在非结构化地形下运动规划的有效性,为六足步行机器人在非结构化地形下的进一步研究提供了理论参考。

关键词：六足步行机器人非结构化地形运动规划仿真分析

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四足机器人非结构化地形感知技术研究

四足机器人非结构化地形感知技术研究

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作者：罗广辉电子科技大学

学位级别：硕士

相较于六足、八足机器人,四足机器人有着更为简单的结构与控制逻辑以及成本更低,由于可以通过选择离散的落足点、改变自身步态和速度而降低非结构化地形中可能出现的颠簸、滑倒、陷入等一系列风险,使其适用于各种复杂地形,近年来受到业... 详细信息

相较于六足、八足机器人,四足机器人有着更为简单的结构与控制逻辑以及成本更低,由于可以通过选择离散的落足点、改变自身步态和速度而降低非结构化地形中可能出现的颠簸、滑倒、陷入等一系列风险,使其适用于各种复杂地形,近年来受到业界广泛关注和研究。四足机器人在非结构化地形中运动过程中,为保障其运动稳定性,首要前提是对所处的地形做出及时、足够精确的地形环境测量与感知估计。为此,本文重点围绕四足机器人在非结构环境中的感知技术展开研究,在兼顾实时性与可靠性基础上,提出一种以视觉感知为主、机器人本体物理感知为辅的四足机器人非结构化地形感知方案,开展了如下研究工作:在视觉感知方面,本文首先利用RGB-D相机采集到的深度图像构建了带有传感器不确定度和机器人位姿不确定度的2.5D栅格高程地图,然后建立了基于视觉词袋框架的地形语义识别模型,得到栅格语义地图。然后采用高度残差法度量地形表面粗糙度,最后将2.5D栅格地图中的高程估计值,高度方差值、地形语义信息、地形粗糙度值投影到同一栅格内构建了多层平面特征地图,以便后续的感知处理。由于四足机器人视觉在非结构化地形的某些特殊地形中存在判断错误的风险,在辅助视觉的本体物理感知方面,本文建立了基于卡尔曼滤波的接触检测概率模型,由步态相位、足端压力、足端高度三个接触概率模型融合而成。然后在接触检测模型的基础上,结合四足机器人本体传感器,建立了基于线性最小二乘原理的地形坡度估计,并根据地形平面方程分别对落足点位置、期望姿态、足端力约束条件三个方程进行调整,提高了四足机器人在非结构化地形中的稳健性。在仿真与实机测试部分,为验证前文中的算法,在ROS环境下构建了几种带有特色的非结构化地形,并在此基础上构建2.5D栅格高程地图,地形分类测试,地形分类平均精度达到了94.8%。坡度估计仿真验证了坡度估计算法的正确性,并在各种非结构化仿真地形中进行了通性测试。而后在实机平台上也进行了2.5D高程图建立、坡度估计,非结构化地形通过性测试。无论是仿真还是实机实验,均验证了本文算法的有效性,为四足机器人非结构地形感知提供了一定参考价值。

关键词：四足机器人非结构化地形视觉词袋框架多层平面地图接触检测

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仿生六足机器人面向非结构化地形的落足点选取策略

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江南大学学报（自然科学版） 2012年第3期11卷 257-261页

作者：陈杰刘玉斌赵杰刘海清张赫哈尔滨工业大学机器人技术及系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150080

从地形的局部几何特征入手,提出了仿生六足机器人在非结构化地形下的落足点选取方法。通过对机器人落足原理的分析,结合足端形状提取外部地形的几何特征,设计了选取落足点的效用函数,并通过专家示教对其进行学习;利用支持向量机获得效... 详细信息

从地形的局部几何特征入手,提出了仿生六足机器人在非结构化地形下的落足点选取方法。通过对机器人落足原理的分析,结合足端形状提取外部地形的几何特征,设计了选取落足点的效用函数,并通过专家示教对其进行学习;利用支持向量机获得效用函数的数学表达。对模拟地形进行仿真实验,验证了该选取方法对落足点评估的有效性。

关键词：仿生机器人非结构化地形机器学习支持向量机

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六足步行机器人非结构化地形下的方向控制研究

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浙江理工大学学报（自然科学版） 2010年第2期27卷 244-248页

作者：王立刘连蕊高建华浙江理工大学机械与自动控制学院杭州310018

针对六足步行机器人在非结构化地形下运动时方向转动角度大小对控制的影响,运用差分控制方法导出六足步行机器人在非结构化地形下行走时各足端的方位信息,在保持机体和足端协调性的同时,保证机器人在运动过程中不与复杂的地面发生接触,... 详细信息

针对六足步行机器人在非结构化地形下运动时方向转动角度大小对控制的影响,运用差分控制方法导出六足步行机器人在非结构化地形下行走时各足端的方位信息,在保持机体和足端协调性的同时,保证机器人在运动过程中不与复杂的地面发生接触,顺利地完成机器人左右转弯运动。在仿真实验中得到了满意的结果,为将来的实际应用奠定基础。

关键词：六足机器人非结构化地形差分方法方向控制仿真

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一种面向非结构化地形的足式移动机器人路径规划方法

一种面向非结构化地形的足式移动机器人路径规划方法

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作者：尤波范耀今李佳钰陈晨陈潇磊 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号哈尔滨理工大学

本发明公开了一种面向非结构化地形的足式移动机器人路径规划方法，属于足式机器人控制技术领域，包括以下步骤：依据地形数据和特征训练决策树模型；针对足式移动机器人运动特点对地形进行分类，建立全局可通过栅格地图；通过决策树模... 详细信息

标准号: CN118349001A

本发明公开了一种面向非结构化地形的足式移动机器人路径规划方法，属于足式机器人控制技术领域，包括以下步骤：依据地形数据和特征训练决策树模型；针对足式移动机器人运动特点对地形进行分类，建立全局可通过栅格地图；通过决策树模型量化全局可通过栅格地图中每个单位地形的复杂度；最后通过将地形复杂度C与自适应权重系数α引入代价函数后的路径规划算法进行路径规划。本发明通过量化地形复杂度与改进代价函数的方式，解决了传统路径规划方法难以满足足式移动机器人的在复杂非结构化地形下的需求问题，能够同时兼顾地形可通过性与路径距离，提升了路径规划算法收敛速度，进而提高了路径规划效率、机器人的运动安全性与地形适应性。

关键词：路径规划非结构化地形路径规划算法地形复杂度决策树模型移动机器人代价函数栅格地图地形移动机器人运动量化控制技术领域地形适应性运动安全性足式机器人传统路径地形数据可通过性路径距离权重系数特征训练复杂度自适应全局机器人收敛分类引入改进规划

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