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分布式架构下服务机器人任务规划与执行系统设计与实现

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 相关技术研究综述

1.2.1 服务机器人发展历程

1.2.2 普适机器人系统

1.2.3 知识表示技术

1.2.4 任务规划技术

1.3 主要研究内容

1.4 论文章节安排

第二章 服务机器人任务规划与执行系统总体框架设计

2.1 系统功能需求分析

2.2 系统开发平台

2.2.1 机器人操作系统ROS

2.2.2 系统硬件资源

2.3 总体框架与工作原理设计

2.3.1 系统总体框架

2.3.2 系统运行原理

2.4 本章小结

第三章 基于存储信息的服务机器人逻辑描述模块开发

3.1 分布式智能环境信息采集实现

3.1.1 智能节点功能分类

3.1.2 智能交互节点开发

3.1.3 信息采集更新实现

3.2 服务机器人信息管理模块设计与开发

3.2.1 信息管理模块结构设计

3.2.2 基于MongoDB的信息分类存储实现

3.2.3 信息管理与共享实现

3.3 服务机器人逻辑描述模块开发

3.3.1 工作环境PDDL语义表示

3.3.2 数据库本体存储模型构建

3.3.3 规划问题PDDL逻辑描述实现

3.4 本章小结

第四章 面向服务任务的规划求解与行为派遣实现

4.1 服务任务分类及实现

4.2 服务机器人任务管理模块开发

4.2.1 任务接收节点

4.2.2 任务缓存节点

4.2.3 任务加载节点

4.2.4 任务解析节点

4.3 基于优化的“正向链一部分有序”规划求解实现

4.3.1 规划求解节点开发

4.3.2 基于TRPG的启发函数值估计与优化

4.3.3 基于EHC的启发式正向搜索与优化

4.3.4 基于Partial Order的时序规划与优化

4.4 服务机器人行为派遣设计与实现

4.4.1 行为派遣表设计

4.4.2 行为派遣模式设计

4.4.3 行为派遣流程设计及实现

4.5 本章小结

第五章 服务机器人行为执行与异常应对策略设计与实现

5.1 分布式智能环境下的行为执行设计与实现

5.1.1 执行目标接收实现

5.1.2 行为执行过程设计

5.2 智能节点典型行为部署与实现

5.2.1 地图构建行为

5.2.2 目标追踪行为

5.2.3 物体识别行为

5.2.4 自动充电行为

5.3 动态环境下的异常应对策略设计与实现

5.3.2 “敏感信息”变动监测

5.3.3 “传递链”异常处理

5.4 本章小结

第六章 系统测试

6.1 实验测试环境介绍

6.2 系统基本功能测试

6.2.1 信息管理模块测试

6.2.2 逻辑描述模块测试

6.2.3 规划求解节点测试

6.2.4 交互节点应用测试

6.3 系统整体运行演示

6.3.1 特定服务场景下的任务规划与执行

6.3.2 异常情况检测与处理测试

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果

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摘要

分布式架构下机器人任务规划与执行是服务机器人研究领域的核心技术之一。良好扩展性和功能完整性是任务规划与执行系统发展的重要趋势。本文针对分布式智能环境下的室内服务机器人,围绕搬运、递送等服务应用需求,系统地研究了分布式架构下服务机器人任务规划与执行系统架构和应用软件的设计与实现。
  论文综述了服务机器人任务规划与执行相关技术的研究现状,分析了系统设计与实现难点,进行了需求分析,基于机器人开发平台ROS设计了具有良好扩展性和功能完整性的室内服务机器人任务规划与执行系统,并详细论述了系统工作原理。围绕服务机器人工作环境的逻辑描述需求,将环境资源节点分成智能感知、智能执行和智能交互三类节点,并开发了基于非关系型数据库MongoDB的信息管理模块,实现了服务机器人工作环境信息的分类存储;在详细论述规划领域定义语言PDDL的逻辑描述特性后,开发了逻辑描述模块,实现了数据库信息与PDDL的转换。围绕服务机器人规划问题的推理求解需求,在详细论述正向链-部分有序规划求解算法基础上,优化了时序松弛规划图构建、启发函数值估计和搜索空间等部分,并完成了规划求解节点的开发,实现了在环境现有资源的逻辑描述约束下,推理求解生成一系列待执行的具体行为。围绕行为派遣与执行的需求,在详细论述行为派遣与执行流程的基础上,设计了行为派遣表与派遣模式,并给出了智能节点典型行为的部署实现,实现了分布式智能环境下的行为准确派遣与执行。针对系统常见异常情况,给出了“行为实施条件”检查、“敏感信息”变动监测和“传递链”异常处理的策略实现,增强了系统稳定性。
  结合室内服务机器人典型应用,以室内环境下的“辅助搬运”和“饮品递送”服务任务为例,给出了分布式架构下服务机器人任务规划与执行系统的功能模块测试及整体运行演示,表明了系统整体架构设计和各功能模块开发的正确性。

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