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移動機器人控制導論(簡體書)
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作者簡介
名人/編輯推薦
目次

商品簡介

《移動機器人控制導論》對輪式非完整約束全向移動機器人和機械臂的建模、控制和導航方法進行了完整而簡明的研究。
《移動機器人控制導論》中首先研究了移動機器人的驅動以及相應的運動學和動力學模型,並討論了移動機器人中常用的傳感器。然後,探討了各種基於模型、無模型和基於視覺的控制器,並統一證明了它們的穩定性和跟蹤性能。此外,書中還解決了路徑規劃、運動規劃和任務規劃的問題,以及定位和建圖等主題的問題。書中還提供了大量的實驗結果、移動機器人控制體系結構、系統和軟件的概念概述,以及輪式移動機器人和機械臂在工業和生活中的應用。
《移動機器人控制導論》是一本重要的技術專著,可以作為移動機器人領域的專業人員和研究人員的參考書,也可以作為大學機器人課程的補充教材。
主要特點:
清晰地提出移動機器人的概念。
通過圖表和示例進行詳盡的闡述說明。
通過大量的實驗和模擬實例展示關鍵技術。
無須事先了解預備知識,每一章的內容都從背景知識開始講解。

作者簡介

斯皮羅斯·G扎菲斯塔斯,希臘雅典國立技術大學電氣與計算機工程學院榮譽退休教授。他是一位在智能控制和機器人領域都頗有建樹的學者,組織、領導過很多會議以及希臘和歐盟的工程項目。他創立了Journal of Intelligent & Robotic Systems (SCI索引期刊),還曾擔任Springer ISCA( Intelligent Systems, Control and Automation )系列書籍的主編。

名人/編輯推薦

1,移動機器人是機器人領域的一大重要分支,以移動底座為基礎,涉及狀態估計、SLAM和自主導航等新內容,例如波士頓動力構建的著名移動機器人,正在被業界廣泛關注和應用。
2,本書適用於機器人、電子工程、機械工程、自動控制和計算機等相關專業的高年級本科和研究生教學課程。它也可以作為本領域研究人員和從業人員的入門參考書,書後配套習題。

多年來,機器人技術一直是人類社會發展的主要貢獻者。這個領域需要多種學科,例如機械工程、電氣與電子工程、控制工程、計算機工程、傳感器工程等協同作用。機器人和其他自動化機器必須與人一起生活。在這種共生關係中,機器人應首先尊重、納入並實現人類的需求和偏好。為此,現代機器人,特別是輪式或腿式移動機器人,以有目的且有益的方式,結合並實現了從生物系統及人類認知和適應能力中汲取的感知-行動循環原理。
本書的目的在於:以匯聚、綜合方式介紹多年來為非完整約束和全向輪式移動機器人所開發的一組基本概念和方法要素。本書的核心部分(第5~10章)致力於分析和設計幾種移動機器人控制器,包括基於李雅普諾夫的基本控制器、基於不變流形的控制器、基於仿射模型的控制器、模型參考自適應控制器、滑模和基於李雅普諾夫的魯棒控制器、神經控制器、模糊邏輯控制器、基於視覺的控制器以及移動機械臂控制器。本書的前4章介紹了移動機器人的驅動、運動學、動力學和傳感器等主題。第11章和第12章介紹了路徑規劃、運動規劃、任務規劃、定位與地圖構建等主題,其中包括最基本的概念和技術,信息的詳細程度與本書的目的和涵蓋範圍相符。第13章提供了使用本書的研究方法所得到的一系列實驗結果。這些實驗結果來自研究文獻,其中包括本書作者的一些研究成果。第14章提供了用於實現移動機器人集成智能控制的一些通用系統和軟件架構的概念性概述。最後,第15章介紹了移動機器人在工業和社會生活中的應用。
為了方便讀者閱讀,每章的第一節會簡述該章中所要用到的數學、力學、控制和固定機器人背景概念。從某種意義上講,本書實際上與本領域大多數書籍互補,提供了可靠的基於模型的分析和設計,涵蓋了其他書籍中未涵蓋的大量移動機器人控制方案。
本書適用於機器人和移動機器人相關專業的高年級本科和研究生教學課程,也可以作為本領域需要綜合方法資源來開展工作的研究人員和從業人員的入門參考書。
感謝授權本書使用插圖和實驗圖的所有出版商和文獻作者。

斯皮羅斯·G扎菲斯塔斯
2013年4月於雅典

目次

譯者序
前言
主要符號與首字母縮寫
關於機器人的名人語錄
第1章 移動機器人:一般概念1
 11 引言1
 12 機器人的定義和歷史1
121 機器人是什麼1
122 機器人的發展歷史2
 13 地面機器人運動8
131 腿式運動8
132 輪式運動10
 參考文獻22
第2章 移動機器人運動學23
 21 引言23
 22 背景概念23
221 機器人的正逆運動學23
222 齊次變換26
223 非完整約束28
 23 非完整約束移動機器人30
231 獨輪車30
232 差分驅動WMR31
233 三輪車35
234 類車WMR36
235 鏈與Brockett積分器模型40
236 牽引車-掛車WMR41
 24 全向WMR的運動學建模43
241 通用多輪全向WMR43
242 帶有麥克納姆輪的四輪全向WMR45
 參考文獻48
第3章 移動機器人動力學50
 31 引言50
 32 通用機器人動力學建模50
321 牛頓-歐拉動力學模型51
322 拉格朗日動力學模型52
323 多連桿機器人的拉格朗日模型52
324 非完整約束機器人的動力學建模52
 33 差分驅動輪式移動機器人53
331 牛頓-歐拉動力學模型53
332 拉格朗日動力學模型54
333 滑移式WMR的動力學56
 34 類車輪式移動動力學模型60
 35 三輪全向移動機器人62
 36 四麥輪全向機器人66
 參考文獻71
第4章 移動機器人傳感器72
 41 引言72
 42 傳感器的分類與特性72
421 傳感器分類72
422 傳感器特性74
 43 位置傳感器和速度傳感器74
431 位置傳感器74
432 速度傳感器76
 44 距離傳感器76
441 聲吶傳感器76
442 激光傳感器77
443 紅外傳感器78
 45 機器人視覺79
451 一般問題79
452 傳感81
453 預處理84
454 圖像分割85
455 圖像描述85
456 圖像識別85
457 圖像解釋86
458 全向視覺86
 46 其他機器人傳感器91
461 陀螺儀91
462 羅盤92
463 力傳感器和觸覺傳感器92
 47 全球定位系統94
 48 鏡頭與相機光學元件95
 參考文獻97
第5章 移動機器人控制I:基於李雅普諾夫的方法98
 51 引言98
 52 背景概念98
521 狀態空間模型98
522 李雅普諾夫穩定性102
523 狀態反饋控制105
524 二階系統106
 53 通用機器人控制器109
531 PD位置控制109
532 基於李雅普諾夫穩定性的控制設計110
533 計算力矩控制111
534 笛卡兒空間中的機器人控制112
 54 差分驅動移動機器人的控制113
541 非線性運動跟蹤控制114
542 動態跟蹤控制116
 55 差分驅動移動機器人的計算力矩控制117
551 運動跟蹤控制117
552 動態跟蹤控制118
 56 類車移動機器人的控制121
561 停車控制121
562 引導-跟隨系統的控制123
 57 全向移動機器人的控制126
 參考文獻130
第6章 移動機器人控制II:仿射系統和不變流形方法131
 61 引言131
 62 背景概念132
621 仿射動態系統132
622 流形137
623 使用不變集的李雅普諾夫穩定性139
 63 移動機器人的反饋線性化141
631 一般問題141
632 差分驅動機器人輸入-輸出反饋線性化與軌跡跟蹤147
 64 使用不變集的移動機器人反饋穩定控制156
641 采用鏈式模型的獨輪車的穩定控制156
642 由雙Brockett積分器建模的差分驅動機器人的動態控制158
643 采用鏈式模型的類車機器人的穩定控制160
 參考文獻167
第7章 移動機器人控制III:自適應控制和魯棒控制168
 71 引言168
 72 背景概念168
721 模型參考自適應控制168
722 魯棒非線性滑模控制170
723 使用李雅普諾夫穩定方法的魯棒控制173
 73 移動機器人的模型參考自適應控制175
731 差分驅動WMR175
732 通過輸入-輸出線性化實現自適應控制176
733 全向機器人179
 74 移動機器人的滑模控制182
 75 極坐標系中的滑模控制184
751 建模184
752 滑模控制185
 76 利用李雅普諾夫方法對差分驅動機器人實現魯棒控制186
761 標稱控制器188
762 魯棒控制器188
 參考文獻190
第8章 移動機器人控制IV:模糊方法和神經方法191
 81 引言191
 82 背景概念192
821 模糊系統192
822 神經網絡196
 83 模糊和神經機器人控制:一般問題202
831 模糊機器人控制202
832 神經機器人控制204
 84 移動機器人的模糊控制205
841 自適應模糊跟蹤控制器205
842 Dubins汽車的模糊局部路徑跟蹤210
843 模糊滑模控制214
 85 移動機器人的神經控制220
851 采用MLP網絡的自適應跟蹤控制器220
852 采用RBF網絡的自適應跟蹤控制器223
853 神經控制器的穩定性證明223
 參考文獻224
第9章 移動機器人控制V:基於視覺的方法226
 91 引言226
 92 背景概念226
921 機器人視覺控制的分類226
922 運動學變換227
923 相機視覺轉換228
924 圖像的雅可比矩陣230
 93 基於位置的視覺控制:一般問題233
931 點到點定位233
932 基於位姿的運動控制234
 94 基於圖像的視覺控制:一般問題234
941 逆雅可比矩陣的應用234
942 轉置拓展雅可比矩陣的應用235
943 圖像雅可比矩陣的估計236
 95 移動機器人視覺控制237
951 位姿穩定控制238
952 墻壁跟蹤控制240
953 引導-跟隨系統的控制241
 96 視野中的路標保持243
 97 自適應線性路徑跟隨視覺控制247
971 圖像雅可比矩陣247
972 視覺控制器249
 98 基於圖像的移動機器人視覺伺服253
 99 使用全向視覺的移動機器人視覺伺服254
991 一般問題:雙曲線、拋物線與橢圓方程254
992 折反射投影幾何257
993 基於全向視覺的移動機器人視覺伺服263
 參考文獻271
第10章 移動機械臂:建模和控制274
 101 引言274
 102 背景概念274
1021 DenavitHartenberg方法274
1022 機器人的逆運動學276
1023 可操作性測量277
1024 平面雙連桿機器人278
 103 移動機械臂的建模281
1031 一般運動學模型281
1032 一般動力學模型283
1033 五自由度非完整約束移動機械臂的建模283
1034 全向移動機械臂的建模287
 104 移動機械臂的控制290
1041 差分驅動移動機械臂的計算力矩控制290
1042 全向移動機械臂的滑模控制291
 105 基於視覺的移動機械臂控制296
1051 一般問題296
1052 全狀態移動機械臂視覺控制299
 參考文獻304
第11章 移動機器人路徑、運動和任務規劃306
 111 引言306
 112 一般概念306
 113 移動機器人路徑規劃308
1131 機器人導航中的基本操作308
1132 路徑規劃方法的分類308
 114 基於模型的機器人路徑規劃309
1141 位形空間309
1142 路線圖路徑規劃方法311
1143 全球與局部路徑規劃的集成322
1144 全覆蓋路徑規劃324
 115 移動機器人運動規劃327
1151 一般的在線方法327
1152 運動規劃:使用向量場329
1153 解析運動規劃331
 116 移動機器人任務規劃335
1161 一般問題335
1162 規劃的表示和生成336
1163 世界建模、任務規範和機器人程序綜合338
 參考文獻340
第12章 移動機器人定位與地圖構建343
 121 引言343
 122 背景概念343
1221 隨機過程344
1222 隨機動力學模型345
1223 離散卡爾曼濾波器與預測器345
1224 貝葉斯學習346
 123 傳感器瑕疵349
 124 相對定位350
 125 航位推算的運動學分析351
1251 差分驅動WMR351
1252 艾克曼轉向352
1253 三輪驅動352
1254 全向驅動352
 126 絕對定位353
1261 一般問題353
1262 基於三邊測量的定位353
1263 基於三角測量的定位355
1264 基於地圖匹配的定位356
 127 基於卡爾曼濾波器的定位和傳感器標定及融合357
1271 機器人定位357
1272 傳感器標定359
1273 傳感器融合359
 128 同步定位與地圖構建362
1281 一般問題362
1282 基於擴展卡爾曼濾波器的SLAM362
1283 基於貝葉斯估計的SLAM366
1284 基於粒子濾波器的SLAM369
1285 基於全向視覺的SLAM371
 參考文獻380
第13章 實驗研究382
 131 引言382
 132 模型參考自適應控制382
 133 基於李雅普諾夫的魯棒控制384
 134 使用基於極坐標的控制器實現位姿穩定和泊車控制385
 135 基於不變流形的控制器的穩定化386
 136 滑模模糊邏輯控制388
 137 基於視覺的控制389
1371 引導-跟隨系統的控制389
1372 開閉環協同控制391
1373 基於全向視覺的控制392
 138 全向移動機器人滑模控制396
 139 差分驅動移動機械臂的控制398
1391 計算力矩控制398
1392 最大可操作性控制399
 1310 基於模糊邏輯的全局和局部集成路徑規劃器400
 1311 不確定環境中的模糊神經混合路徑規劃405
13111 路徑規劃算法406
13112 仿真結果406
 1312 基於擴展卡爾曼濾波器的移動機器人SLAM408
 1313 基於粒子濾波器的雙機器人協同SLAM409
13131 第一步:預測409
13132 第二步:更新410
13133 第三步:重采樣410
13134 實驗研究410
 1314 基於神經網絡的移動機器人控制和導航411
13141 軌跡跟蹤411
13142 避障導航413
 1315 差分驅動機器人模糊跟蹤控制415
 1316 基於視覺的差分驅動機器人自適應魯棒跟蹤控制417
 1317 移動機械臂球形全向視覺控制419
 參考文獻420
第14章 移動機器人智能控制的通用系統與軟件架構423
 141 引言423
 142 通用智能控制架構424
1421 一般問題424
1422 分層的智能控制架構424
1423 多分辨率的智能控制架構425
1424 參考模型智能控制架構425
1425 基於行為的智能控制架構426
 143 移動機器人控制軟件架構的設計特徵428
 144 兩種移動機器人控制軟件架構的簡介430
1441 面向組件的Jde架構430
1442 分層移動機器人控制軟件架構432
 145 兩種移動機器人控制軟件架構的比較評估433
1451 初步問題433
1452 比較評估435
 146 智能人機交互界面436
1461 智能人機交互界面的結構436
1462 機器人化的人機交互界面的主要功能437
1463 自然語言人機交互界面437
1464 圖形化人機交互界面438
 147 兩種智能移動機器人研究原型機440
1471 SENARIO智能輪椅441
1472 ROMAN智能服務移動機械臂443
 148 對其他問題的進一步討論446
1481 異構化設計446
1482 模塊化設計449
 參考文獻452
第15章 工作中的移動機器人456
 151 引言456
 152 工廠和工業中的移動機器人456
 153 社會生活中的移動機器人459
1531 救援機器人459
1532 機器人手杖、導引助手和醫院中使用的移動機器人460
1533 家務移動機器人462
 154 輔助型移動機器人463
 155 移動型遙操作機器人和網絡機器人465
 156 其他機器人應用案例469
1561 戰爭機器人469
1562 娛樂機器人471
1563 研究型機器人472
 157 移動機器人的安全性473
 參考文獻474
習題477
機器人網站列表495

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