第一篇 四类轮式移动机器人运动学、运动分析及路径规划 3
第1章 引言 3
1.1概述 3
1.2轮式移动机器人的需求 3
1.3轮式移动机器人的发展 5
1.4轮式移动机器人的类型 7
1.4.1普通机车型机器人 7
1.4.2双驱动机器人 7
1.4.3同步驱动和导向机器人 8
1.4.4全方位机器人 10
1.5研究目的 11
1.5.1逆运动学及正运动学 11
1.5.2运动平滑性与可行性 11
1.5.3运动学在高速路和街道几何设计中的应用 12
1.5.4路径规划 12
参考文献 13
第2章 四类轮式移动机器人的逆运动学和正运动学 14
2.1概述 14
2.1.1机械臂的正、逆运动学 14
2.1.2雅可比矩阵：速度、奇异点和静态力 14
2.1.3动力学 14
2.1.4轮式移动机器人的正、逆运动学 15
2.1.5轮式移动机器人运动学相关研究 15
2.2刚体机器人的运动描述和每个轮子的理想滚动条件 17
2.2.1全局和局部参考坐标 17
2.2.2机器人本体的运动描述 18
2.2.3每个轮子的理想转动条件和运动描述 18
2.3车式机器人的数学模型 19
2.3.1泛化的约束方程 19
2.3.2前轮的机械设计 20
2.3.3满足Jeantaud条件 21
2.3.4解逆运动学的步骤 21
2.3.5曲率、瞬时旋转半径及其关系 21
2.3.6车式机器人的正运动学 22
2.3.7复合机车的数学模型 23
2.4双驱动机器人的数学模型 24
2.4.1双驱动机器人的逆运动学 24
2.4.2双驱动机器人的正运动学 25
2.4.3导向轮的运动 25
2.5同步驱动和导向机器人的数学模型 26
2.5.1逆运动学 26
2.5.2正运动学 26
2.6全方位机器人的数学模型 27
2.6.1全方位机器人的含义 27
2.6.2逆运动学 29
2.6.3正运动学 30
2.7本章小结 31
参考文献 31
第3章 轮式移动机器人运动的平滑性和可行性 33
3.1概述 33
3.2车式机器人和双驱动机器人的纯平移以及纯转动的条件 35
3.2.1纯平移的充分必要条件 35
3.2.2纯转动的必要条件 36
3.3方向角和导向角的连续性 37
3.4导向角限制与可行偏移角的间隔 39
3.5直线运动的分析 42
3.6圆形运动分析 44
3.7同步驱动与导向机器人的运动光滑性 50
3.8全方位机器人的奇异性 50
3.9本章小结 51
参考文献 52
第4章 运动学在高速路设计中的应用 54
4.1概述 54
4.1.1设计用机动车 54
4.1.2为何需要大型机动车及相关问题 54
4.2相关工作的回顾 56
4.3仿真结果和讨论 59
参考文献 60
第5章 四类轮式移动机器人路径规划算法的适用性 61
5.1概述 61
5.2路径规划方法综述 62
5.2.1点形机器人路径规划方法 62
5.2.2 C空间障碍物的概念 66
5.2.3圆形机器人——方位角变化对COA（B）没有影响的特例 67
5.2.4具有固定方位的多边形机器人 68
5.2.5具有可变方位角的多边形机器人 68
5.3四类轮式移动机器人算法的适用性 70
5.3.1同时驱动和导向机器人 71
5.3.2全方位机器人 71
5.3.3车式和双驱动机器人方位角的存在性和唯一性 71
5.3.4车式和双驱动机器人 73
5.4本章小结 75
参考文献 75
第6章 具有非完整约束和导向角限制的轮式机器人的路径规划 77
6.1概述 77
6.2 CLR路径规划问题的总体描述 77
6.3寻找CLR全局逼近路径 79
6.4检测导向角限制性的满足程度 82
6.4.1直线运动 82
6.4.2圆运动 83
6.4.3直线与圆的复合运动 84
6.5无碰跟踪的两个充分条件 85
6.5.1直线运动 85
6.5.2圆运动 86
6.5.3示例 86
6.6检测有多边形障碍物时多边形CLR的潜在碰撞 88
6.7多边形CLR的包络区域 89
6.7.1包络曲线族 89
6.7.2多边形CLR的包络 90
6.8从故障中恢复 91
6.8.1五次多项式路径 91
6.8.2极样条路径 92
6.8.3调整逼近全局路径 95
6.9本章小结 96
参考文献 96
第7章 本篇结论与展望 97
7.1结论 97
7.2未来的研究 97
参考文献 98
第二篇 自主水下机器人路径规划方法 103
第8章 绪论 103
8.1概述 103
8.2水下自主车式移动机器人的路径规划方法 104
8.3本篇内容安排 105
参考文献 106
第9章 基于非线性规划和实体几何构造的水下车式机器人路径规划 109
9.1概述 109
9.2常规的非线性规划问题 110
9.3基于实体几何构造的物体表示法 110
9.3.1定义函数 111
9.3.2布尔运算（交和并） 111
9.3.3交和并运算的光滑近似 112
9.3.4用于物体表示的基本实体以及对m的选择 112
9.3.5平移和旋转 115
9.4将水下机器人路径规划问题转化为非线性规划问题 116
9.4.1将自由空间表示为配置变量的不等式约束 116
9.4.2目标函数的设计 116
9.5算法实现和仿真结果 117
9.5.1算法实现 117
9.5.2仿真结果 117
9.6本章小结 122
参考文献 122
第10章 两种新的求解无人水下车辆路径规划的方法：约束优化和半无限约束优化 124
10.1概述 124
10.2优化问题的两种不同模型 124
10.2.1标准约束优化 125
10.2.2半无限约束优化 126
10.3势域方法 126
10.3.1势域方法的基本原理 126
10.3.2导致局部最小的原因 128
10.4将机器人路径规划问题转化为约束优化问题 130
10.4.1将自由空间表示为配置变量的不等式约束 130
10.4.2目标函数的设计 131
10.4.3算法实验 131
10.4.4避免局部最小的自适应目标函数 131
10.5将机器人路径规划问题转化为半无限约束优化问题 134
10.5.1使用隐函数表示待定系数 134
10.5.2使用参数形式表示待定系数 134
10.5.3仿真结果 135
10.6本章小结 137
参考文献 137
第11章 “与”和“或”约束的广义约束优化问题及其在自主水下机器人中的应用 139
11.1概述 139
11.1.1约束优化 139
11.1.2水下自主车式机器人路径规划 140
11.1.3本章内容安排 141
11.2水下自主车式机器人路径规划问题转换为约束优化问题的基本原理 141
11.2.1 SCOP的求解方法 141
11.2.2水下自主车式机器人路径规划的要求 142
11.2.3原理 142
11.3将水下自主车式机器人路径规划问题表示为广义约束优化问题 142
11.3.1物体的分类 142
11.3.2标准约束优化问题 143
11.3.3广义约束优化问题 144
11.4数学变换及其性质 145
11.5水下自主车式机器人三维路径规划 147
11.5.1第一类物体的结果 147
11.5.2同时含有第一类和第二类物体的结果 148
11.6“最坏情况”研究和方法的效能 151
11.7本章小结 152
参考文献 153
第12章 一种避免位形空间计算的自主水下机车实时路径规划方法 155
12.1概述 155
12.2理论背景 156
12.3障碍物和机器人在三维空间中的表示 157
12.4机器人路径规划问题转换为半无限约束优化问题 160
12.4.1三维空间中机器人无碰撞的充分必要条件 160
12.4.2目标函数的设计 161
12.5仿真实验及结果 161
12.5.1算法实现 161
12.5.2实验结果 162
12.6本章小结 166
参考文献 167
第三篇 自主无人车平行停车、变道及超车模型 173
第13章 无人自主驾驶拖车式机车变道操作的轨迹生成 173
13.1概述 173
13.2两步法的原理 174
13.2.1约束方程 174
13.2.2非完整约束轨迹生成问题转化为函数拟合过程 175
13.2.3确定速度变化图 176
13.3变道操作的函数拟合设计 177
13.3.1计算y=f（x） 178
13.3.2计算θ2=θ2（x） 179
13.4本章小结 180
参考文献 180
第14章 使用函数拟合方法设计自主无人车平行停车 182
14.1概述 182
14.2非完整运动规划转化为函数拟合 183
14.3拟合函数 185
14.3.1五次多项式 185
14.3.2三次多项式 185
14.3.3三角函数 186
14.4典型操作的运动分析 186
14.4.1平行线过渡操作 186
14.4.2导向角限制和最小过渡宽度Xmin 188
14.4.3倒车式停车和移出 190
14.4.4变道、规避障碍物和平行停车操作 194
14.5基于卫星GPS方法的车辆导航和控制 195
14.6本章小结 196
参考文献 196
第15章 两车道公路超车视距的新模型 198
15.1概述 198
15.2超车行为的三个阶段和PSD的定义 199
15.3超车车辆行驶路径的描述 201
15.4超车操作的时空关系推导 203
15.4.1情形1：在第一阶段达到最大速度 203
15.4.2情形2：在第二阶段达到最大速度 204
15.4.3情形3：在第三阶段达到最大速度 204
15.4.4情形4：在第三阶段结束后仍未达到最大速度 204
15.5在PSD中输入参数的效果 205
15.6与AASHTO的结果相比较 210
15.7本章小结 213
参考文献 214