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第1章 概述1

1.1引言1

1.2未知环境中移动机器人导航理论与技术研究的进展概况1

体系结构2

环境建模与定位2

路径规划3

运动控制4

故障诊断与容错控制5

1.3机器学习和自适应理论与方法研究的进展6

参考文献7

第2章 未知环境中移动机器人系统的体系结构10

2.1引言10

2.2机器人体系结构10

递阶式体系结构10

反应式体系结构11

慎思／反应复合式体系结构12

2.3移动机器人系统体系结构实例13

移动机构与传感器系统14

控制系统软件体系结构17

控制系统使用的硬件25

2.4四层递阶式智能导航控制体系结构29

导航控制任务分解与导航控制系统中的几个概念29

一个四层模块化的汽车自主驾驶控制系统结构29

驾驶控制系统各层内部通用结构30

驾驶控制系统各层结构特点31

参考文献35

第3章 未知环境中移动机器人的动力学模型与控制38

3.1引言38

3.2轮式移动机器人的动力学模型38

轮式移动机器人的几种典型机构38

非完整约束条件下轮式移动机器人的动力学模型39

3.3轮式移动机器人的镇定与跟踪问题41

轮式移动机器人的镇定与跟踪控制器设计问题41

镇定与跟踪控制器的相关研究42

3.4轮式移动机器人的鲁棒统一控制器设计理论52

破坏理想非完整约束条件下的轮式移动机器人鲁棒统一控制律52

不确定曲面运动条件下轮式移动机器人原型的鲁棒统一控制器68

3.5镇定和跟踪控制设计实例81

Unicycle类型轮式移动机器人的控制器设计81

单链链式系统的控制器设计94

基于backstepping的跟踪控制律设计110

基于模糊滑模变结构的控制器综合114

基于微分平坦的轮式移动机器人轨迹生成122

基于T-S模糊模型的轮式移动机器人轨迹跟踪控制128

同时存在执行机构饱和与外部干扰时的WMR轨迹跟踪控制136

参考文献159

第4章 未知环境中移动机器人的环境建模与定位研究171

4.1引言171

4.2移动机器人环境建模与定位技术172

环境模型简介172

环境建模与定位方法概述176

4.3基于视觉图像的环境特征提取180

基于图像外观的环境特征分析与提取181

基于兴趣点的环境特征分析与提取183

基于立体视觉的环境特征分析189

4.4动态环境下移动机器人地图构建的研究190

地图表示方法简介190

动态环境中基于障碍时空关联的地图构建191

实验结果及其分析201

4.5移动机器人定位技术的一些实例207

基于激光雷达环境感知信息的机器人定位方法207

基于Monte Carlo方法的移动机器人定位213

4.6基于免疫进化算法的同步定位与建图216

基于占据栅格的地图表示217

关键点栅格及其检测218

结合领域知识的并发定位与建图免疫进化算法220

算法的实现和实验结果223

结论224

4.7基于视觉的拓扑环境建模与定位225

拓扑模型与度量模型225

视觉拓扑建模与定位领域常用的概率技术226

视觉拓扑建模与定位系统227

4.8基于视觉信号的地面移动机器人航迹修正230

问题描述230

视觉里程计231

基于立体视觉的视觉里程计实现技术232

基于视觉量角计的航迹修正算法236

参考文献241

第5章 未知环境中移动机器人的障碍物检测245

5.1引言245

5.2障碍物的检测方法245

激光测距雷达245

视觉方法247

5.3基于激光雷达的障碍检测方法252

测距数据的滤波处理253

激光雷达测距数据的3-D变换257

非结构化环境中的障碍检测259

5.4基于自适应分割和立体视觉的快速障碍检测262

5.5基于移动机器人视觉系统的运动目标检测与跟踪266

基于移动机器人视觉系统的运动目标检测方法267

运动目标跟踪技术283

目标检测与跟踪的难点287

参考文献288

第6章 未知环境中移动机器人的导航策略291

6.1引言291

6.2路径规划技术292

基于事例的学习规划方法292

基于环境模型的规划方法292

基于行为的路径规划方法294

发展趋势294

6.3基于近似Voronoi图的路径规划296

移动机器人运行环境的空间表示方法296

Voronoi图的介绍299

近似Voronoi边界网络（AVBN）建模方法301

基于A VBN模型与GAS的全局规划306

仿真与实验314

6.4反射式局部规划策略315

反射式7层避障模型315

轨迹的运动控制318

扰动策略319

反应式导航实验验证320

6.5移动机器人的局部规划策略322

局部规划方法概述322

基于模拟退火的扰动规则设计323

局部规划程序设计328

局部规划仿真实验329

6.6复合导航策略与实现331

复合导航的策略331

复合导航的实现340

6.7路径规划的智能方法345

基于免疫进化和示例学习的移动机器人路径规划345

基于蚁群算法的移动机器人路径规划351

6.8基于特征点的导航策略359

特征提取360

基于特征点的导航行为362

导航策略的设计与实现363

参考文献366

第7章 未知环境中移动机器人的故障诊断与容错控制371

7.1移动机器人故障诊断与容错控制概述371

故障模型和传感器误差模型371

移动机器人故障诊断与容错控制的特点372

移动机器人故障诊断与容错控制的方法373

7.2航迹推算系统硬故障诊断377

基于粒子滤波器的混合动态系统估计377

航迹推算系统故障模型379

状态空间自适应380

移动机器人航迹推算系统传感器的故障诊断383

7.3移动机器人软故障检测与补偿的自适应粒子滤波算法388

模型与软故障检测388

软故障补偿的自适应粒子滤波器PD-PNAPF391

实验与分析394

粒子数目自适应、精度及效率分析398

7.4软故障补偿的自适应进化粒子滤波算法PD-EAPF401

多样性测度402

自适应进化粒子滤波器PD-EAPF402

实验以及分析402

7.5不完备故障模型诊断及其在移动机器人故障诊断中的应用405

不完备混合动态系统405

未知模式检测406

不完备模型诊断的粒子滤波算法409

实验分析410

不完备系统诊断的自适应机制412

7.6激光雷达异常及车轮异常检测414

激光雷达的异常检测与滤除414

激光雷达鲁棒测量模型417

移动机器人异常运动状态识别以及避让策略423

参考文献427

第8章 机器学习理论及其在移动机器人导航控制中的应用429

8.1引言429

8.2面向移动机器人导航与控制的机器学习方法430

8.3增强学习研究的一些新进展432

策略梯度增强学习的回报基线方法433

模糊策略梯度增强学习437

结合SVM的混合策略梯度增强学习方法442

基于多目标优化的进化算法求解约束优化问题450

8.4机器学习在移动机器人导航中的应用实例472

增强学习在月球探测机器人运动控制中的应用472

统计学习理论在基于视觉的环境感知中的应用482

参考文献493

第9章 未知环境中移动机器人导航控制研究的展望498

9.1未来研究方向498

9.2结束语502

参考文献502