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地面机器人的驱赶策略及算法研究.pdf

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地面 机器人 驱赶 策略 算法 研究
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本 科 生 毕 业 论 文(设计) 题目 地面机器人的驱赶策略及算法研究 姓名 /学号 唐思远 /3110000181 指导教师 吴俊 年级与专业 自动化 2011 级 所在 院系 控制科学与工程 学 院 浙江大学本科生毕业论文 地面机器人的驱赶策略及算法研究 致 谢 在此毕业论文完成之际,感谢所有帮助过我的人,感谢所有陪伴我一路成长的人。 首先,需要感谢的就是指导本次毕业设计的许超老师。一直以来,您的渊博学识深深感染了我,让我开阔了眼界,见到了不一样的思维方式与世界。一路走来,从最开始定题、开题,以及在毕设的过程中,都多次麻烦老师,但许超老师仍不辞辛苦的耐心指导我,让我的毕业设计得以顺利的进行;特别是在毕设进行到了关键转折点的时候,是老师您帮助我整理头绪,定下了最终的方向。另外,也感谢许老师在毕设方面给了我足够大的自由度,使得我可以按照自己的想法完成毕业设计,满 足我了我的心愿。 还需要 感谢吴俊老师, 在毕设过程中因为各种事项 多次麻烦您, 感激不尽 ! 其次,感谢我的同学们。由于我的毕设偏理论仿真,朱疆成学长在工程 化经验方面给了我很多指导,使得我的成果不至于脱离实际,最后做出的东西仍可以服务于真实对象。也要感谢翁一桢同学在 LaTex 排版方面对我的帮助,让我从一个完全不懂的小白踏入了 LaTex 的大门;还要感谢我的室友陆韶琦,虽然不是同一个专业,但是每次和你的讨论都会让我思路更清晰,有时还会带来些看待问题的新的角度,使我受益匪浅;此外,感谢张铭宇、王嘉正、金炫智还有很多很多在毕设过程中与我讨论、给予我鼓励与帮助的同学,今天的成果离不开你们曾经生活中的点滴帮助。 最后,我要感谢我的父母,是你们在背后默默的支持着我走到今天。 感谢你们一直以来的理解与支持,让我能够突破自己,完成新一轮的成长! 感谢所有人! 浙江大学本科生毕业论文 地面机器人的驱赶策略及算法研究 I 摘 要 本毕业设计基于国际空中机器人大赛 (IARC)的第 7 个任务,即利用空中飞行器作为驱赶者,完成在 20mx20m 的场地中对地面随机移动的机器人进行驱赶任务,并且使得通过场地一侧的地面机器人个数尽可能多。 本文以这个比赛任务为背景,从 建模、 仿真平台以及驱赶策略的探究与实现进行了讨论与阐述,完成了以下工作 : 1. 完成了对地面机器人、空中机器人的运动模型、运动规律模型的建模与简化;引入状态机与任务列表的思想,构建了一个有层次的运动框架,为接下来的仿真平台提供了理论基础。 2. 设计并实现了基于比赛场景的仿真平 台,仿真效果与实际吻合 。软件基于C++语言开发,利用面向对象的思想进行了封装,并留出了算法接口供用户调用;另外,该平台还基于 OpenGL 图形开发库,实现了可视化的仿真效果,并且提供了随意变换视角的功能。 3. 建立了驱赶策略 的 4 层 决策 框架,抽象出两种基本任务: Follow-Task 和Operation-Task。 还 实现了基于贪心思想与 基于动态边界的驱赶策略与算法。 关键 词 : 地面机器人,四旋翼,仿真平台, OpenGL,驱赶策略 地面机器人的驱赶策略及算法研究 浙江大学本科生毕业论文 II Abstract This graduation project is based on the 7th task of IARC, in which we need use aerial vehicle as a driver to drive ground-Robots to pass a given boundary as many as possible. Based on the background of this match, this thesis have got some achievement on the modeling, simulation platform and the research of strategy and algorithm about driving problem. Main work is as follow: 1. Finish modeling and simplification works about the motion model and motion pattern model of ground-Robots and aerial-Robot. By introducing the idea of state machine model and task list, I construct a hierarchical model to describe motion, which provide the theoretical basis for the development of simulation platform. 2. Design and implement a simulation platform based on the match scenario, whose performance accords with actual rules. Software was developed in C++, and completed encapsulation work using Object Oriented Thinking, and leaves algorithm interface for users. Besides, using OpenGL Library, this platform have the function of visualization and viewpoint transforming. 3. Establish a 4-level frame for decision making, in which two basic tasks (Follow-Task and Operation-Task) are abstracted out. With this two basic tasks, we complete the research of strategy and algorithm based on greedy strategy and dynamic boundary strategy. Keywords: ground robot, quad rotor, simulation platform, OpenGL, driving strategy 目录1绪论.......................................................................................................................... 11.1null究nullnullnullnullnull................................................................................................. 11.2null究现null........................................................................................................... 21.2.1nullnullnullnullnullnull............................................................................................. 21.2.2nullnullnullnull.................................................................................................... 31.2.3仿真平台.................................................................................................... 31.3null究nullnull与nullnull................................................................................................. 41.4null文结null........................................................................................................... 52机器人的建模与简化................................................................................................. 72.1nullnull机器人nullnull建模.......................................................................................... 72.1.1nullnull机器人的nullnullnullnull............................................................................... 72.1.2nullnullnullnull模null............................................................................................. 82.1.3nullnullnullnullnullnull模null...................................................................................... 92.1.4nullnullnullnullnull模null......................................................................................... 102.2nullnull机器人的nullnullnullnullnull建模............................................................................ 122.2.1nullnullnullnullnullnull............................................................................................. 122.2.2nullnullnullnull建模............................................................................................. 132.3nullnullnullnull器的建模nullnullnull模null简化..................................................................... 162.3.1nullnullnullnull器的nullnull建模............................................................................... 162.3.2nullnullnullnull器的nullnull模null简化........................................................................ 172.4nullnullnull结........................................................................................................... 193仿真平台的设计与实现.............................................................................................. 213.1仿真平台设计nullnull............................................................................................. 213.2仿真平台nullnull实现............................................................................................. 22IIInullnull机器人的驱赶策略nullnullnullnull究nullnullnullnullnullnullnullnullnull论文3.2.1nullnull化nullnullnullnullnull...................................................................................... 223.2.2机器人的nullnullnullnullnullnullnull的实现................................................................. 233.2.3nullnull机器人的nullnullnullnull............................................................................... 253.2.4nullnullnullnullnullnull............................................................................................. 263.2.5nullnullnullnull.................................................................................................... 263.3nullnull与实现nullnull................................................................................................. 273.3.1nullnull的nullnull与nullnullnullnull............................................................................... 273.3.2nullnullnullnull的实现......................................................................................... 283.3.3nullnullnullnull与nullnullnullnull.................................................................................. 323.3.4nullnullnullnullnullnullnull的实现............................................................................... 333.3.5nullnull与nullnull的nullnull...................................................................................... 343.4nullnullnull结........................................................................................................... 354驱赶策略的探究与实现.............................................................................................. 374.1nullnullnullnull........................................................................................................... 374.1.1nullnullnullnull.................................................................................................... 374.1.2 Follow-Tasknullnull........................................................................................ 384.1.3 Operation-Tasknullnull.................................................................................... 404.1.4null策nullnull.................................................................................................... 454.2nullnullnullnullnullnull的策略与实现............................................................................... 474.2.1策略........................................................................................................... 474.2.2nullnull........................................................................................................... 494.2.3实nullnullnull与nullnull......................................................................................... 494.3nullnullnullnullnullnull的策略与实现............................................................................... 524.3.1策略........................................................................................................... 524.3.2nullnull........................................................................................................... 544.3.3nullnullnull机器人的nullnullnullnull与nullnull................................................................. 544.3.4nullnullnull机器人的nullnullnullnull与nullnull................................................................. 574.4nullnullnull结........................................................................................................... 595结论.......................................................................................................................... 615.1null结.................................................................................................................. 615.2nullnull.................................................................................................................. 62参考文献......................................................................................................................... 63IV1绪论1.1null究nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull器的nullnullnullnullnull机器人nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull机nullnullnullnullnull人nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull目nullnullnull的null究nullnull[1 – 3 ]nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull机nullnullnullnull人nullnull机nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull建null的探nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull器nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull建nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull机器人nullnullnullInternationalAerialRoboticsCompetitionnullIARCnullnullnullnull1991nullnull2012nullnullnullnullnullnull设nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull机器人nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull的nullnullnullnullnullnull目nullnullnullnull设nullnullnullnullnullnull的null实nullnullnullnullnull的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull机器人nullnull的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull实现的nullnullnullnullnullnull实现nullnullnullnullnullnullnullnull机器人的nullnullnullnullnullnullnullnull的nullnullnullnullnullnull设计nullnull的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull机器人nullnull的null7nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull驱赶nullnullnullnullnull20mx20m的nullnullnullnullnullnullnull机nullnull的机器人的驱赶nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull的nullnull机器人nullnullnullnullnullnullnullnullnull机器人nullnullnullnullnullnull20m×20m的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull20snullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull的nullnullnullnullnull5snullnullnullnullnullnull机nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull机器人nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull机器人nullnullnull的nullnullnullnull器nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull180°nullnullnullnullnull机器人与nullnull机器人nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull机器人nullnullnullnullnullnull机器人的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull45°nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull4nullnullnull的nullnull机器人nullnullnullnullnullnull机器人nullnull的null机nullnull与nullnull的nullnull机器人nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull结nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull的机器人nullnullnullnullnullnull机器人nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull1nullnull机器人的驱赶策略nullnullnullnull究nullnullnullnullnullnullnullnullnull论文nullnull究的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull机器人nullnullnull7nullnullnullnullnull究nullnullnullnullnull的nullnullnullnull究nullnull的策略nullnullnullnullnullnullnullnull机器人nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull机器人nullnullnullnullnull的nullnullnullnullnullnullnullnullnull的人nullnullnullnullnullnullnull机器人nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull实现nullnullnullnullnull机器人与nullnull机器人nullnull的仿真平台nullnullnullnullnullnullnull的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull器的nullnullnullnullnullnullnullnull仿真平台nullnullnullnullnullnull实现nullnullnull策略nullnull实nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull的nullnullnullnull策略的设计与nullnullnullnullnullnullnullnull的nullnullnull1.2null究现null1.2.1nullnullnullnullnullnullnullnull模nullnullnullnull机器人nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull[4 ;5 ]null考nullnullnullnullnullnulldydt = f(x,t) (1.1)nullnullf : R+ Ω ! RnnullRnnullnnullnullnullnullR+ = [0,+1)nullnullnullnullnullnullnullM(t),N(t) Ω,8t 2 R+ (1.2)nullnullnullA(t) : M(t) ! N(t),8t 2 R+ (1.3)设x(t) = x(t,t0,x0)nullnullnullnullnullnullnullnullnullx(t0) = x0的nullnullnullnullnullnullnullPt = (t,x(t))nullnullnull(t0,x0)nullnullnullnullf(t,x)jt > t0,x = x(t)gnullnullnullnullnullnullt1 > t0nullnullt1nullPtnullnullnullnullM(t)nullnullt = t1nullnullA(t)nullPt1 = (t1,x(t1))nullnullP+t1 = (t1,x+1 ) 2 N(t1)nullnullnullx+1 = A(t1)x(t1)nullnullnullPtnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull的nullnull的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull文献[6 ]nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull化nullnullnull参nullnullnullnullnull的nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull化nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull文献[7 ]nullnullnullnullnullnullnullnull2
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