特殊任务下自主移动机器人全覆盖遍历路径规划混沌行为研究

The complete coverage path planning for the autonomous mobile robot has gained the popular attention of the experts and scholars from various countries with the commercial mature application for cleaning and sweeping robot. While when it has been extended to the patrols, planetary exploration and other special missions,the distinguished characteristics,such as efficiency,real-time, randomness,and unprediction, should be obtained. The new chaotic behaivor controller will be constructed with the combination of the chaotic theory and the kinetic equation of the mobile robot to meet the special requirement. The evolutionary process of various dynamic equations are discussed to reveal the rules from simple to complex and chaos with regard to the parameters. Then the chaotic range and chaotic characteristics are discussed. A better performance dynamic equation will be chosen to construct the chaotic behavior controller to produce the behavior time series of the direction or velocity. The chaotic behavior time series and other statistical characteristics are improved to meet the special requirement of the complete coverage path planning. The designed trajectories's characteristics can ensure the quick scanning of the patrolling space. And it demonstrates totally random behavior to the outside observer and inner deterministic to the designer. So it's behavior can be controlled. The research has important significance to society application and military utilization.

智能清洁和自主清扫移动机器人的商业化成熟应用，使其所涉及的关键技术-全覆盖遍历路径规划，得到了各国专家学者的普遍重视。而将这项技术推广应用到警戒巡逻、行星探测等特殊任务时，还要具备无规划、高效、随机和不可预测等特点。本课题将混沌理论与移动机器人运动学方程相结合，研究满足上述特殊任务需求的混沌行为构造方法。揭示典型一维/高维动力学方程随着参数变化、从简单到复杂直至混沌的演化机理，并确定混沌区间、混沌性能；选择性能良好的混沌映射方程构造移动机器人混沌行为控制器，产生控制机器人方向/位移的时间序列；针对全覆盖遍历规划特殊任务的需求，对混沌行为时间序列的混沌特性、统计性能进行数值分析和性能改进。所设计的行为控制器具有的遍历搜索行为能够保证任务的高效完成，对外部观察者呈现出完全的随机行为但本身具有一定的内部确定性，可为设计者所控制。这种行为构造方法具有重要的理论研究意义和社会、军事应用价值。

本项目最终目标是利用具有较好混沌/统计性能的动力学方程，构造混沌机器人，实时产生具有遍历性、随机性和均匀分布特性的全覆盖遍历规划路径，满足移动机器人执行警戒、巡逻等特殊任务的需求。现已完成任务书规定的所有任务，研究成果如下：. 将一维Chebychev映射构造成一个二维Chebychev混沌系统，直接映射为机器人的混沌路径规划器，并利用反正弦/反余弦变换对时间序列进行改进，提高了系统的混沌特性和均匀性。分别在有障碍物和无障碍物环境下设计全遍历规划算法。所构造算法，避免了对障碍物和运行边界的检测，能够满足机器人执行特殊任务的要求。. 二维Standard方程具有很好的混沌和分布特性，它的两个变量直接映射为混沌机器人的子目标点。在无障碍情况下，提出了两种规划算法，一种是在遍历空间内将大区域和小区域栅格迭代相结合的融合方法，另一种是将Standard方程的吸引子特性和随机特性相结合的混合算法，以减少遍历轨迹的迭代步距；在有障碍环境下，将单元分解和Standard方程相结合进行设计，简化了规划和避障算法的设计。.基于三维Lorenz方程的混沌机器人构造，提出一种有约束策略的全覆盖遍历路径规划算法。基于镜面反射原理，提出一种改进策略，将溢出运行边界的轨迹点反射回工作空间。另外对Lorenz混沌变量在映射前/后的统计特性进行分析，选择具有最好统计特性和最高覆盖率的变量进行映射，改进后的算法明显提高了覆盖率。.基于三维Arnold方程的混沌机器人构造，提出一种压缩变换的全覆盖遍历规划方法，解决所规划轨迹运行边界溢出问题。选择具有最高覆盖率的变量构造混沌机器人；利用压缩变换技术，将所规划的轨迹形成连续的全覆盖遍历轨迹，提高运行轨迹的遍历覆盖率。. 为了对算法进行测试，以Raspberry Pi、ROS操作系统等软硬件和AI为基础，对移动机器人本体的设计实现和导航问题等进行研究。.项目组利用仿真和实验，充分验证相关理论和技术的可行性与有效性。. 在该项目资助下，发表SCI/EI收录论文30篇；申请专利4项，已授权2项；授权计算机软件著作权11项。