视觉导引下重载移动机器人合作搬运的自主控制研究

在大型技术装备的制造和装配过程中，广泛存在着大质量和大尺寸物体的搬运操作，多机器人的合作搬运具有重要的工程应用前景。本项目围绕我国重点行业（如航空、汽车、重型机械等行业）的大型技术装备的自动搬运问题，研究多机器人合作搬运的自主控制机制与方法，包括：多智能体系统的前导-跟随自适应控制、基于视觉识别的多跟踪目标协同导引、柔顺承载方式下的非完整系统运动分析、多目标约束下的有限能力合作控制。本项目拟通过机械结构设计、传感器信息融合、控制体系构建与策略研究等综合设计方法，争取在导引方法、承载方式、控制策略等方面进行多学科交叉的应用基础研究，提出一套采用视觉导引和柔顺承载方式的多机器人合作搬运的整体解决方案，开发出具有完全自主知识产权的子母式重载搬运系统的原理样机。本项目的实施不仅为多机器人合作搬运的理论发展增添新的研究视角和发展方向，也为我国高性能重型移载装备的研发打下坚实的技术基础。

围绕着我国航空、高铁、汽车等行业大型技术装备的自动搬运问题，本项目以视觉导引差速驱动自主控制模块为组成单元构建了运载平台，研究了采用多个导引驱动模块进行合作搬运的关键问题。为了解决合作搬运时目标载荷分布的不均匀性，提出了一种可主动调节驱动轮与地面接触的压紧程度进而改变导引驱动模块承载状态的自适应承载技术。为了消除多目视觉系统的成像误差和安装误差，针对平面模板提出了一种利用多个导引驱动模块的特征轨迹约束进行参数估计的多目视觉系统标定方法，建立了单个导引驱动模块的视觉测量坐标系与运载平台运动控制坐标系之间的坐标变换模型。为了解决不同材质地面可能产生的非均匀光照或高光问题，提出了一种基于光源辐射照度拟合模型与高光区域补色的图像增强方法。为了降低导引路径铺设误差及污损干扰对视觉测量精度的影响，提出了一种基于曲率角估计概率特性的单支路径分类识别与几何测量技术。为了解决多分支路径的模式识别问题，提出了一种基于粗糙集知识粒度理论和分层支持向量机的多分支路径识别技术。为了解决搬运机器人在复杂导引路径网络上的自主导航问题，提出了一种融合视觉感知和射频识别、包含网络路径行驶导向和单一路径跟踪导引的复合导引方法。为了解决多机器人控制系统的构架设计问题，提出了一种基于多智能体协调机制的Prometheus三阶段控制系统建模方法。为了解决合作搬运中多种控制目标的相互约束问题，提出了一种完全满足速度和加速度约束的有限控制能力路径跟踪技术，并针对路径跟踪的位姿偏差对搬运机器人定位精度的影响，提出了一种基于定位误差敏感分析及容差分配的精确移载控制技术。为了解决合作搬运中多个导引驱动模块的协同控制问题，提出了一种前导-跟随模式下融合偏差智能转化评价函数法和指数稳定控制的混合运动控制律。本项目的研究成果申请了11项国家发明专利，其中有6项获得了授权；发表了学术论文25篇，其中SCI/EI检索期刊论文3篇，EI检索期刊论文13篇，EI/ISTP检索会议论文2篇。部分研究成果还在相关企业得到了实际工程应用，所研发的试验样机具有良好的工程化前景，所提出的关键技术成功解决了自动化检测生产线的实际难题，产生了良好的经济效益和社会效益，获得了2013年度教育部科技进步二等奖和江苏省科技进步二等奖。