移动机器人的路径规划和避障控制.pdf

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1、大连理工大学硕士学位论文移动机器人的路径规划和避障控制姓名：高丽宏申请学位级别：硕士专业：一般力学指导教师：吴玉良20020601摘要移动祝器入是搬器人爨究域域中重要的一个分支，餐能移动规撄人集入工智能、智能控制、信息处理、图象处理、检测与转换等专业技术为一体，跨计算机、囊动控制、机械、墩子等多学摹粤，成为当懿智能机器人掰究躬重点之一。智能移动机器人最大的特点是：通过本身对外界环境信息的感知接收和处理，为瞧己规划行走路线，来达到人们使髑移动搬器人完成莱一任务的躁的，即它具有一定的“智能”，一定的自主能力。本文研究豹重点在于移动机器人姻路径溉划，和通常掰说的点到点的路径规划不同，本文研究的主要内

2、容是机器人路径的遍历规划，遍历规划是夜满足絮种性能评价指标缦优的前提下寻找一条在设定区域癌从始点到终点且经过所有可达点的连续路径；而点鲫点瓶划的强标怒寻求一条-从始点剿终点的无磷撞最优路饺。本文酋先将给定的需要智能移动执器人遍历的嚣域按照文中提出的蕊则戈1 分成几个子区域，然后遵循一定原则按照某种性能评价指标分别遍历每个子区域，最黯给出了遍历子区域的计算机访真图形。智熊移动机器入的遍历路径舰娜强前大部分娥在理论和实验阶段，只有很少数的实用，还需鬻继续深入研究，使它能够在将来达到很好的实用承平，更好的为人类服务。笑键词：餐耱、移动杌器入、路径规麓、遍历、计算梳俯真A b s t r a c tM

3、 o b i l er o b o ti sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fr o b o t I ti n v o l v e sa r t i f i c i a lI n t e l l i g e n c e(A I)，i n t e l l i g e n tc o n t r o l，i n f o r m a t i o np r o c e s s i o n，i m a g ep r o c e s s i o na n dd e t e c t i o na n dc o n v e r s i o n。I tr e f e r st O

4、c o m p u t e rs c i e n c e，a u t oc o n t r o I，m e c h a n i c a l，e l e c t r o n i cs c i e n c e I t So n eo f t h ek e yr e s e a r c h e sO ni n t e l l i g e n tr o b o tn o w T h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e ro fm o b i l er o b o ti st h a ti tp r o g r a m sap a t ht od os o

5、m e t h i n gb yd e t e c t i n ga n dd e a l i n ge n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nb yi t s e l fI no t h e rw o r d s，i th a ss o m ei n t e l l i g e n c e T h i St h e s i ss t u d i e dt h ep a t hp r o g r a m m i n go fm o b i l er o b o t B ed i f f e r e n tw i t hu s u a l l y

6、p o i n t t o p o i n tp a t hp r o g r a m m i n g，t h i st h e s i ss t u d i e dt h et r a v e r s ep r o g r a m m i n g U n d e rt h ep r e c o n d i t i o no fs a t i s f y i n ge v e r yp e r f o r m a n c e，ac o n t i n u o u sp a t h，w h i c hp a s s e st h r o u g he v e r ya r r i v a lp

7、o i n tf r o ms t a r tt oe n d，w i l lb ef o u n d H o w e v e r，t h ea i mo fp o i n t t o p o i n tp a t hp r o g r a m m i n gi st of i n da no p t i m i z e dp a t hf r o mo n ep o i n tt oa n o t h e rp o i n tw i t h o u tb u m pF i r s t l y，t h i st h e s i sm e s h e st h er e g i o nt h a

8、 tn e e d sr o b o tt ot r a v e r s et os o m es m a l lr e g i o n，t h e n，t r a v e r s ee v e r ys m a l lr e g i o nb ys o m ee v a l u a t e s A tt h ee n do ft h et h e s i s，c o m p u t e rs i m u l a t e di m a g eo ft h et r a v e r s ei sp r e s e n t e d。T h ep a t hp r o g r a m m i n g

9、o fm o b i l er o b o ti ss t i l lo nt h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a ls t a g eT h e r ea r ef e wp r a c t i c a la p p l y I ts t i l ln e e d sm u c hf u r t h e rr e s e a r c hK e yW o r d s：i n t e l l i g e n c e，m o b i l er o b o t，p a t hp r o g r a m m i n g，t r a n s v e r s

10、 e，c o m p u t e rs i m u l a t i o n移动辊嚣A 鲍路径媲划和避障控制绪论杭器入是正在蓬勃发餍酌一个璧鬻领域。它集椒密仪器、光学、曦予攀、遥感技术、盏动控潮技术、倍感按术、计鬓援技术之大藏，澎戏了一门练会性豹赫技术。视器入技术的出璐和发麟，使传统王矬生产的瓣虢发生了掇零变化，对久炎泌享主会垒溪发生黧大影滴。国于计算机技术的迅逮瞽及私发鼹，在全瞧界藏围斑，A 癸的生产方式已经从桃斌拢、酝韵纯、跨入了“餐能纯”熊赣辩代。这裁怒被嚣之为人工键能辩代。工厂中躺传统装备蔽在被餐能纯装鬟一一梳器人辑代替，从藤极大缝撬鬻了劳动生产攀。戴辨，辍黎入程社会攀物、海涕开发、字爨

11、窆阕 窜照、矿山霸攀攀上都裔广泛的应用，代替入程那些入稍无法工作鹃特豫环穗条韩下党戚俸煦l 壬务。这褥援大遮扩袋太类耋产酾秘究滔动豹范滏，提搿入类刽逢缝势动酶能力。“髓饕撬器人餐巍东平静不凝撬嚣，它必耨避入豢庭，穆洚入豹好掰学浓代替人们完成许多家务工作。撼人们从家努劳动巾解脱凌窳，去究藏受裔意义憋攀l 毒。现亵，獭爨上愁经爨璐了甥寄一定蟹畿懿徽窳务豹执嚣入，戆镄韵人稻完戏一些筒荜的势动。这使人 f：】熏礴避豳褶僚，能究戏燹复杂努动麴稍霄翼篱级絮能酌枕器人髓饕鼓謇妁发暴两也现，只是嚣尊闽躺闽题。嬲嚣寸，执器入l 乍为家庭的一煲，会受到A 们的广泛欢避。弗鼹，梳器入不会攘怨仟么，只要奄充足鹣能量，

12、它就会不知疲倦地为人类艨务。鼙蘸，毽癸上所脊发这澄家帮戆橇嚣人接零蓑餐髓蠢凑钱羧术摆在科技发鹱战酶中鼹优兜麴地霞加以推动。搏为窝晶的枕器入麴产缀在不辑她增蕊。美鬣对税器入技零给予了特裂豹荚滚，戈其是军方，辩上蘸磺萄麓疰羯瓣矮嚣，避行了搽讨瓤掇念设计。可以预魏，箨瘸蛾嚣人麴群发将太大攘韵瓿嚣久技沭懿发麓。弱本巍翁在工曛梳嚣入靛盛鼷上毫缀菲鬻瞽潦，蕊嚣缓零键替鬻藏熟。毯翦翳本对裁器入麴磅究重惑集中巍提离可纛髅及遮痰、视熨及触觉、穆溺葫栽、攀习萌能等。同时斑在大力开鼷极疆袈释下佟妲钓瓿瓣入研究，妻鬟研究舞发豹为核电站内髑魏执嚣入、述舒水下操作姻视嚣入、救火救灾羽枫嚣入警。另缔，欧洲的冀德国家謦鞋谗多

13、发联中颡家也都寄自穗发鼹梳嚣人的计粼，都粳薰视发展机瓣人的按术。蠛在，工照穰器入技术融经睡盏残熬，程诲寥帮f-麓谴瘸纛承了鑫好懿教柴，努且农发达溺家，肖些专门的场合使用的机器人数鬣融经越予饱湘。不过，邈豢上逐爨逢落辫蘩一鳖遥惩予各耪繇凌佟簸鹣备姣务样豹橇器入。受辨，畿界诲多国家正大力加强黢努机嚣入的研究，力争在不久的将来，大爨槎出蜜鼹瀚溅务瓿器人。当前，智能够动裁撬嚣人霄饕极其广泛的发展瓣最，它萌以应用在许多人类舔不戆襄漆箕凌静蕊验麓台，谚魏舅外作馥、深海攘溺、戳投簿辫绫藿藤瀵移动机器人的路径规划和避蹲控制环境中。它的形式是多种多样的，有轮式的，有履带式的，也有双足或者若干对腿足的，它们都是为

14、了完成特定的任务而设计制造的。其中，全局路径规划是移动式机器人智能系统的一个重要部分，它的质量好坏，适应性强弱和实现上的难易等直接影响到系统的智能水平。全局路径规划法是多种多样的，主要有自由空间法、正规栅格法、势场法和路径松弛法等。其中，每种方法都有自己的优缺点。本论文就是基于自由空间法和栅格法的结合使用。自由空间法的基本思想是采用预先定义的基本形状(如广义锥形，凸多边形等)构造自由空间，并将自由空间表示为连通图，然后通过对图的搜索来规划路径，其算法的复杂度往往与障碍物的个数成正比。自由空间法的优点是比较灵活，机器人的起点和目标点的改变不会造成连通图的重新构造，缺点为不是任何时候都可以获得最短

15、路径。下一章将详细论述世界上智能式移动机器人的导航和全局路径规划的研究进展情况。移动机器人的路径勰划和避障控制1，1 号|誉第一章移动车梵嚣人磷究发展现状在工业机器人问世3 0 多年后的今天、机器人已被人们看作是一种生产王鼠。在制造、装配及服务行业，机器人的殿用取得了明显的进步。由于传感器、控制、驱动及材料等领域的技术进步，邋过智能机器入系统，首次在制造领域以外的服务行业，开辟了机器人应用的新领域，让机器人作为“人的助手”，使人们的生活菔蹩得以提高。弱前在许多领域已经进行了很大豹努力来开发服务机器入系统，势力争在较大范围痰馊曩它们。这些机器入系绫尽管有不同的瘦攒镞蠛，稳宅熟艨姨事费王季筝汉疆于

16、维护绦舞、骖理、运输、凌洗、强安、救援及数糖蘩鬃等方覆。在骚务孑韭中傻麓敬穰器入，要求掰鬟篌鲍骚务技拳禽爨麓，工l 謦安全可靠，还要求它翡市场潜力大，对愆户骞使用价值，对经营者有经济效益。与普通工业机器入不同，服务机器入怒种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统，其活动空间大，因此往往是移动机器人。移动机器人狱义上指的是地面可移动机器人，主要包括翠事领域和民用服务领域机器人两种。军零智能机器人包括侦察机器人、爆炸物处理机器人和步兵支援机器人镣，种类繁多、功能强大、用途广泛，发展潜力隧大。在民用移动服务机器人方面，日本幂玎荧嗣处于遥遥领先的地位。机器人被广泛用于扫除、割草、室内传遴、肆裔、

17、母游、导购、室内外清洗和保安i|I 溅等各个方蟊。在国内、上海大学研制穗黪购税器入，蹬尔滨工韭大学研铡如譬游枫器入和涛据瓿器天等。及广义上游，移旗撬嚣久逮毽螽空瓣羲器人(翅荧辫瓣火星攥夔誊)霸痰下瓿器人(热羧溪磺甏豹海T6 0 0 0 m 搽溺辍器入，它对凝器入豹控鞠技零、簧感技术亵誊孝麓镣方丽掇獭了甏离的要求。下面就移动式服务桃嚣入的关键技术、匿蠢井发展现状郛我们凿家的研究工作等方面分鼬予以介绍。1 2 移动式服务机器人的关键技术一个理想化完善的移动式服务机器人系统通常由3 个部分组成：移动机构、感知系统和控制系统。移动机构是服务机器人的本体，决定机器人的运动空阈，霄步行枫构、轮式辊构、履带

18、式机构积混合搬橡等凡释。感知系统一般采用C C D摄橡辘、激光测薹垂搜、超声潮距霞、接融耧接近传惑器、红癸线接惑器帮鬣达移动机器人盼蹲径藏划和避障控制定位传感嚣簿。随麓计算机技术、人工鬻能技术釉传感技术的迅速发鼹，移动式黢务撬器入投割慈统豹磷究其餐了坚寰翡技术麓韬释受好鹣笈震懿豢。黻务机器人的控涮与工作环境的有关信息往缀是多义的、不完全的或不准确的，避霹能随着辩阁蠢改窝。因茂程部分已知袋来知懿环境中蠲辩又漤求蠡主挽褥任务时，应以最大的人员安全憾及功能可纛性为条件，用传感器探测环境、分析信号，隧及逶过邋当熬建模方式寒理筑环境，其畜特鲷耋要豹意义。透年来怼餐麓橇器人的研究袭瞬，对于工作在复杂或菲结

19、构化环境中的鱼主斌移动机器入，装避步提懿其塞主程瀣，主要辕靠蠖蕊识裁及辩褥鞠识戮，安避数爨捷臻及邋巍的人工锻能方法，还要避一步汗发金禺模型，从而为机器入获取全髑信惑。爨蘸发震较捩、对缀务糖嚣入粒发震影蝻较大粒关键技寒楚：捷感技术、智貔控制技术、路径规划技术、毫源技术等。2。1 建襞技求淹了让辘糕入驻雾薹佟，必绥辩掇器人斡位黧、姿褰、遮液耧系统蠹韶羧态等避行监控，还耍感知机器人簌处的工 蕈环境的静态秘动态傣息，使褥规器人相应瓣工佟顺序和操作内容熊鑫然魄逶藏工作环境的变化。蠢散她获歌内部褪辨部信息，对移动式服务枫嚣人的正常工作、提糕工作效率、节省能源帮防止慧豁攀鼓舔燕静常黧簧瓣。表1 舞帮傣惑嚣T

20、 a b l elI n t e r s e n s o r传感器辩类穗定霞嚣囊菠赞感嚣徽黧嚣荧、笼奄嚣裳鼹意位鬟受度袋感器奄臻嚣、鼹转变嚣嚣、蜗攘、关蕊角黄感嚣瓣羲跫开发蹬麓耱各襻懿传感嚣，露分舞巍帮传戆器鬻辨罄蹙惑嚣嚣大燮n 内部传感器褥子滋测和控制机器人窟赛，矫部传感器安装在辘器人上，舟于移动帆攥A 豹路经燃划辍谶障控制感豁羚都环嫒僖惑。其讳瓣袋l、袭2 联幂t。2 2 枧鼗人餐能接裁投求餐能控镧楚其有餐能倍感怒瑗、餐髓葳馈耀臀雒控麓决策的控制方式，楚控制理论发展的商级阶段，主鼗髑薅乇解决鄹些用传统方法赚强解决的复杂系统豁控铡翻越、管黢控翻戮究对象懿主錾特点楚爨骞不确定酶数攀模型、嵩凌黪

21、a#线矬攀j 复杂的任务要求。瑷农安髑的控铆方法有：多缀遂酚智靛控制、萋予知谖静餐麓控翻、模糊按锱、耩经耀终控溅、蕊予援则斡谚人甓镌控糕、基予援式识别豹鬻戆控铡郝懑涎菠到警。藤蘑髓在移渤式服务辊器入控制中澎滕最多躺智能控联方法是模糕控制霸神经潮络控制。表2 矫都拣惑器驾a b t e20 u t e r-s e n s o r功貔传感嚣释溪w _ m _ _ H _*n H _ M _ m H*_ _“_ _ _ _ _ _ w m _ _ _ _。w“-_ _ _ _ _”_“_ _ _ _ w H _“_ _ H“H。*_”_ _ _”_。一H测量传感嚣毙擎式(点状、缝获、溺形、蝶麓形簿)

22、襁觉健感糕谈翳佟感器兔攀式、声攀茂移动机器人的路径规划和避障控制1 2 3 移动机器人路径规划技术移韵规嚣入鹣路径媲越藏是给定撬器人及英工作嚣境信惑，按照菜静後化撂搽，在趣戆点耧鋈振点瓣趣捌密一条与环凌障璐无疆懿簿经。瓿器天爨经筏刘鹣磷究娥予2#毽纪7 0 年代，髫兹对这一鞫题煞磺究爨手分瀵跃，许多学嚣敲了太魏翁王佟。其主要辑究蠹寥攘壤嚣人互謦繇凌不弱霹努隽静态结构话繇境、动态已知环境积动态不确定环壤，撩枫器入获敬环境信怠酶方式不霜可分为蒸于模型的路径规划和基于传感器的鼹饺斌划。机器人路径规划的方法主翳有：C 空闯法、人工势场法、可视图法、单元分解法和分解法等。这些方法备有所长、健离完全实用化

23、还有一段距离，需多方瑟技术的提高和改进。1 2，4 电源技术移旗魄源鼹憋谊在移动式疆务机器人中携采十分重要，可以说是它豹生意源。移渤惫添黉要弱霹满霆撬嚣人懿多耱缝源器慕，襄秀移动鼹稳援龚凌力、为控翻激鼹强傻稳定静窀蘧彝秀骚努魏簿横块掇貘藐滚等。连移动式藏务撬器入领域，一般袋瓣往学电漶雩搴为移囊毫灞。溪慧瓣邀滤应该爨鸯十分枣熬毵爨密度、髓够在放电过程中保持恒定的电愿、内黻小戳便具有快速放电能力、熊够耐商激、磺充电以及成本低等。但实际上没肖种电池可同时具备上述优点，这就嚣求设计人员根据实际任务的需要，选择种合遗的电波。1。3阑外移动式服务机器人发展现状疆翁在欧茨、日本等鹾方发达国家，移动藏暇努税器

24、人已广泛应赐于五大颁域：羧疗塌秘溅务、赛场超枣强务、餐厅羧镶激努、维修瀵洗驻务帮家纛骧务。荚灏P r o b o t i e s 公司1 9 9 9 年生产翡C y e 小型骞穗移凄式缀务疆器天，宅可零引一辍小蘩藏零在室海运送饺精、信佟等缴添瘸菇，或牵萼l 暖尘器进孬室岗清扫工作。C y e 采用双轮差动驱动方式，环境僚患的获取采用地图输入方式，可躁踪声静信譬，任务完成后能自动返回总站特命。荧豳D e n n i n g 公司与W i n d s o r工、监公嗣9 0 簿代初合佧生产的地面吸尘机器人R o b o S c r u b，它采用超声传感稳测障碍，辩配肖离精度激光导航系统。R o

25、b o S c r u b 的导航系统需要光码条来实现机器人定能，限制了其应用范围。K e n t 公司设计了另外一种清扫机器人R o b o K e n t，它不搿要导引条码或定位路标，缎嚣臻操作者辅助其完成对清扫区域周边的攘测，因掰其清趋区域限于楚单的艇影嚣域。爨外，D e n n i n 叠公司还设计了6 移动机器人的路缀规划和避蹲控制煤安枫黪入D e n n i n g S e n t r y，H e l p M a t e 公镯设计了医爝物鼹运输撬器人H e l p M 8 e。露率H o n d a 公霹设计了镑入键器入P 2 黟P 3。避鸯怒予飞靛渗浚鲍瀵洗鼹努机器人籁在麴潞站魏

26、汽攀氆渤翔涟豹麴漓枫器人。4 强肉凝黼懿A 种移淤章嚣嚣人l。蹙嚣瀵浇勰壁捉嚣人蜍尔滨王渡大攀槐嚣入戮究掰骈测成功襞蕊清洗熙壁榄嚣入，主癸褥子瓷砖藏筒及玻璃熬蘑懿清流体妲。趣黪薅屡建筑鹣潢浚，誉袋麓蕊爨、舄然手工瀵洗穆娥方式。使髑壁蕊瀵流聪壁梳瓣入霹墩实瑷清淡佟监懿囱磷纯。窀辔您麓撬器入本体、潺浚税襁、控澍挺、遥控鑫、安全僳栌装嚣等部分缀减。骢聚撬器入袋瘸受隧缴瓣原理，利爝啜擞吸辫予壁蕊。采用双轮驱韵，磷蓬煮予璧蘸上下左右移动，带韵清淡橇镌作监。该瓿嚣人王露套熬下穗虑：f 1)受燧墩辩，可辍逶疲各耪楗精馥乎嚣域夔两。(2)逡度领调，爬行装灞。3)有线遥羧，攥佟方便，可在潍蕊上观察机器入邀行愤凝

27、下避行远程操作。f 4)西安全跨越滋缝，瓞麓壤麟入霹炭全蹲越1 0 2 0 m m发右豹海缝。(s)簿淡效攀离，清洗教巢掰。2 垒方键移动缝瑟清趱机器人大颡联宽髑地掰豹瀵鞠工终一麓怒璞繁薰的俸力劳凌，人工清拯赞孵、费力短工佟效率低、褥枕嚣入熙予清稿臌努，典霄广隅黥陂鼷裁爨。在我鬣，髓饕缀游建设瓣不鞭嚣畿，诲多弦延戈箕愚运输簸瓣凌人流爨大鹣赛鼹热蘧安联龚动漓挡的簧求越来越强烈，瓣蓬内懿辐获讲究麓令还未霓擞导。为实蕊逡合貔鬻瀵德鹣宽攥缝瑟翥翻瀵掇，滂肇大学霞遮领壤骰了一些探索，与霉港中文大举合捧，联台研制开发趣一种全方键移动漪扫飘器人。该梳嚣入羹有翔下特点：(1)来藤龛方镣轮实蕊任意方惫的移动，馊

28、褥橇器入可撬零亍辩狭零区域瓣涛撩程务。(2)袋麓蛩牧式规器人控铡缎稳，实瑷疆档霹扩装，软件可移援、W 继承，健极嚣入俸为服务簸俸蒸有更好酾功能遥陡健。(3)捉嚣入爨窍在秘蘩臻浚下鹣滨器雩懑簿渤缝，麓逶瘦不凝交能戆瀵耋誉工母罄鄹壤。(4)其簿遥控搽佟觏自主运动蘸释运符方式。f 5)暇垒枫褥可实现吸袋腔路鹪自动转挠，援怒7 戳垒效率。f 6)暴裔智裁毫源餐溪珐麓，怒长了遴霉涎溺，提裹了鼹鸯袋的移动动力资源的剥爝率。3。瀵防橇器人出公安帮上海潸虢辩攀礤究掰研裁搿发瓣潸游瓿器人邀邃致车、淄爨枫器人本侮、控制系统藕供瓷系统缀戒。税器入本俸又瞧捂行惫部分，遥撩谐漪邂、潦瀑系绫，罄像传输系统、攘测系绫斓冷龆

29、巍翌系统缀藏。移动辊器A 懿鼹经撬到帮避簿控澍消院视器人的工作过疆：消防梳器入依蒜供藏系统撬供韵力，车俸运动所需豹电力及控制、谈检、貔频等信号均通过电缆倦翰，潢驻熄的供承或泡沫遗过水带输送。发生灾情时，消防机器人由运躐车遨到事发现场，行驶过程中将承繁与滂茨稳器入懿接嚣霹靠逡接，它豹竣承塞哥在一定范爨涎棂攥灾壤大夺进行配黢，要求后方潴防车的供水量与之配套，并保留适当的余量。水和泡沫滚懿唆辩落点遽过淤爨瓿瓣人酝套熬遥控溺防熄缒蓠黪左意翻转巅上下鼹秘实现，其动作凼后方控制麟控制。喷射落点可通过机器人装锯的彩色C C D 摄像机进行躐察。穆韵梳器A 游路径撬掰和避蹲控翻篱二意毫主式移动枫器入的导舷翔定

30、位技术2。1 引言现在的桃爨人谚究有两个特点：是对机器入智能数定谯有了照加符合实际的标准，也就是不要求机器人其有蒙人类样的高智能，而只是黉求机器人在菜耪程度上其鸯囊主处理趣题的戆力；另一个特意是诲多凝技术及控剿方法(神经网络、传感器融台、虚拟现实、高速度的并行处理机辞)被日 入到机器久辑究中。萋舅突羹点懿转交搜撬器入磷究走逡了链褒瓣平豫戆发袋遨爨，甭不断敬褥新的磷究成果。糖能自主机器入能够按照存储焱其内部的地豳信息，或校据终部环袋瑟擒供瓣一些零l 等售带(辩遽过对环浚戆实戆搽测掰获德的僚慰)缎划出一条路径，势簸够沿藉该鼹径农没蠢人工干预的情况下，移动劐预定鼙标点。智能自主移动祝器人对它的研究正

31、在成为一个重要的研究热点。巍予撬器人巍用从剃遥韭两嚣剁遗鼗戆扩展，敦及耋主移动餐裁掇器太褒诸如野外作业、深海探测、以及些人类本身所不能避入的有毒或高温环境的 螯选中，鸯麓辍器广泛静应爨鼹景，戮蓝逡年来援器入骚究在多方甏懿跫取褥了很大的进展，研究的成果必将成为备行稀业提高生产力的强肖力工其。2 2 移动机器人导航分类移动辊瓣入奄多静导靛方筑，摄撵环境信息豹完熬程度、导靛攒示髂母类黧、薄航琏域等因素的不同，可以分为基于地蕊导航、基于陆标导航、蒸予褫髭霉簸、基于感知器霉簸簿。基于地躐的导航是在机器人内部襻有关于环境的究整信患，菇在预毙规翎j 纛嚣一条全羯路线的基磷上，采用路径鼹躁帮潦降技术，实戮视器

32、入导靛；当机器人对周强环境并不究全了鳃时，则可猥用纂子陆橼的导航策略，也就是将环境中其育碉益特征的最物存储在机器入内部，梳嚣入通过对陆标的探测浓确定自已的位麓，并将全局路线分解成黼标与魅檬之间麴片段，再邋避一滚串的陆标探铡和陆标制导来完成导航任务：在环境倍息完垒未知的情况下，可通过摄像槐或传感器对髑屡环境的撵测来实现桃器人导航；在甥对援整豹邵境中，褥可以在路灏或路边画出一条明显的路径标志线，机器人在行走的过程中不断豹对搽恚线遴舒探灏著调整嚣遴鼹线与标悫线熬馕差，当逯剿薅碍辩袋楚停下一茔黧照壁数塑堡篓型塑里蹩篓型一_一w_mH_m_h-_p_wH一等待、或是绕开障碍，避障后褥根据标志线的攒目f

33、回到魇来的路线上去，最终凌辣悫线鳃攫；下翻这搔定嚣瓣舞蔓。不论采阁何穗导航方式，智能移渤机器入娶完成懿功能艨该包括：路径规翊专溅障、探测与定谴耩控裁系统稳悫靛。撮爨导靛方式匏不霹，各方瑟掰采用的搜术嬲簧达到鲍羁标不同。2 2，1 视觉昙靛臻绫巍觉系统在零靛疆究中主鼹起烈环境搽测帮辨识熟 乍题，环境瓣撩测包掇溅障探测和陆标探测，两辨识主要怒陆标的识别。援觉导靛熬往点在予英掇测懿范溜广，缺点是臻以区分将要掇测的嚣檬与背景。为了将障碍与背景分开，所鬻的图像计算量很大，导致系统的实时性较蓑，霹采麓些耨殊餮像建理穷法，箕中氇疆：使蕊H o u g h 变按瓢鹜像中捷取赢线形式敬道路边界，弗通过对比搽测剩

34、的道踌信息与机器人走鄢存德的嫩黼，修正德趋，实现譬靛，这荦孛方法可鞋提蠢导航的馨棒瞧；氆霹戳可以稔蕊缀分解戚势嚣撂、鸳景、乎避、不平撼4 类，势根据分解蜃熬结果，将强凌髂怠归必于平原模式和目标模式(陆标模式)，然后针对不同的环境表示方法和移烧方式，姨纛避免无翔售塞戆诗冀；奁塞蠹舔凌中，可采擐H o u g h 变换放黧像中提取墙壁等煮线信息，然腰通过对多个墙瓞的距离来实现自身的定能；豢援器入瘫嚣懿嚣耩强彩黠采舔瓣銎存储，掰戳撬毫搽测蚕静二维鬻豫与嚣拣瀚匹配速度；由于仪通过单幅图像信息来判断障礴物豹距离和速度是很不准确懿，鲻踅在实舔窿雳孛可使掰多个摄像辊，或蔫翻稻一个摄像穰匏多裎连续凝像序列来计

35、算目标的距离和速度，还筲采用S S D 算法，掇据一个摄像机的逡续藏藤来计箨撬器入与器标鲍裙对彼移，并掰舀适鹰滤波黠测嚣数据送行娥遴，辍减夺繇境豹不豫是瞧造成豹溺墼谖差。为了避灸大量瓣图形运舞，哥悉多中传感器来完成测距工作，眈翔超声波测距仪j 和红外测距仪。农室癸竣环境不整熬静德凝下，缀鼹罐墙壁或道路透赛滋牙器靛，这蔗魏肖必凝设置专用的陆标，或者选用树木之类的变化不大大自然景物作为陆标，络台C C D 疆像头线超声波传感嚣来搽瓣陆标，艺确定橇器入当翦的准确位置。2。2 2 传藤器与传感器融合一般入黉其有筏觉、断觉、融觉、睐激我唤觉五种感觉，僵燕税器入所要求的抟感器可分藏如下两部分：为了对环壤产

36、生楣遥旋的动 乍嚣取褥环壤信息的外器倦感器；根据指令简进行动作，检溺机器人各帮状态豁内部传感器。移秘瓿器A 始路撩援刘积避簿控制外界传感嚣，密于其接融与非接触状态敬褥信息秘不同，又两以分为非接触传感嚣每接触传感器。移动式机嚣人在运动密闻器搽测露身与爝圈环境挽俸之闻耀对侄瓣秘躐寓，黉餍到一秘按避熨倦黪嚣，它篷张多 器传感嚣，它豁健艨对祝撩人工俸过稷中遗时媳遴行轨迹规划与防止机器人海外界耱体耀藩楚一 一分骞蕊义熬。移凌式瓿器入麟麓懿接遴熬佼感嚣黢蠢级夕 巍邀式_ j 罄趣声式传感嚣。它臻圭簧怒黻下褥令方瑟黪俸瘸：在凝簸对象秘戆褥蘩必要懿僖惠，势嚣甏漤穆 警壤釜；2。菠淡骧褥鞠，溉定行稷蓬蘩，疆凫教

37、套磁撩。简黉介绍下绽卦，l 己电式帮趣声式挨避转感嚣昀工佟漾瑷。红外式接莲缴鼹感器的基本工住原骥；宅包薅薄部分：发送器与接牧嚣。发送黎往往为红薨发光二极管，渐搂牧释般为光敏晶体管。发送嚣内菜秘体发出柬红辩光鹾，该物体反射缀外光，并被接收樱所接收。通过发射岛撩收达副判断物体的存在，绶遗信号熊理与勰薜又磁确定其位餮(距离)。E 外式揍避馋感器的聪照特点在予它们瓣发送器譬接收器都镊小，般更脊几个立方溅米，因戴可以方便缝蜜装予橇嚣入的较小的部像，比如手。乏。红多 式接避健感器的发送器发出熊经辨毙建绞涟黻灏镛秘鹣(黢麓趸予赫)，这爨为了瀵滁淄浚必线靛子撬终蕉。焉矮毁攀接救辩又鼙经避滤波。爨警这秘转感嚣熬

38、褰翳鹣羧浏爨王终空溺蠹菜秘俸建存焱鸟黉，毽终梵疑亵戆浏鏊镄蠢它笈条熬麓戆，遮藏是接波器接瘦刭戆爱瓣光线爨熬鬻镄体淡瑟李鼋，馥不溺移秘钵畿嚣鞣辩予褥黪嚣必辘熬方窝不潜瓶出璇藏努。这点程设诗与使用中成予馘注意。越声式接近传黪嚣是用于对周围秘体的稃凌与躐离的探瓣与测鲎。尤其澍移旗斌橇嚣入，安装这种转簿器可随时搽测虢滋道路上避否斑现障碍物，以受发擞磁攘。超声波是人群呀不跫的种梳械波，蕊频率程2 0 k H z 以上，波长较娥，绕射小，能够成荧射线褥定赢镥撵。为了隧怒声波佟为捻涮手段，必须巍产蹩麓声波帮淡姨趣声波，竞威这萃申功麓的装嚣熊建怒声波僮感器。超声波W 激测爨鞭离和识剐物体形状。越声滚测蹬嚣尊，

39、镄戆嚣跨秘髂之阀熬鼹离为r，警气审煞费速为C，超声波倦撵孵瓣蔫，粼尹=e，2溅豢瓣必矮准确潮趱鬻速方蕤僳谣溅璧糖凄。怒声波谈爨秘誊澎妖熬薹本方法怒掴捂溺躐。翻糖溺鞭的缀瑷是t 传感爨在一定藏灏肉转动，使怒声渡形戏个崩蔼。程簿一个毋凳瘦上溺祷个鼯离魏，鄹么该点麓体黪熊标值秀x=r s i n 毋Y。r c o s 0将各点坐檬馕襻入计算橛，便霹以粼翱二维物体瀚黟敞，这楚乎蕊的缓熙椿形式e 妇鬃要测熬三维物嚣形状，可戳健爆球嚣嫩拣(蠛穗坐标)魏溯萱方式。移裁极糕A 赞貉径勰翻_ 穑穗鞯控制扫攒测距要求传感器驱动系统蠢袋褒酾精度，以免由予毋建不准造成定位谈差-躲浆只是粮戆氇剃鼷锈体形状，裂霹良羧宠要

40、求。健惑器在导靛中主癸起餮露褥搽瓣髂作露，搽铮式、奄容式、毫感式、力学传感器、雷达传感器、光电传感器簿都在实际中有所应用，但针对测距和障碍探测的特殊要求，目前采用最多的肆航传感器仍是筑外绒和超声波传感器。趣声波潮距是近年寐发展起来的一斧串测距方法，偿由于超声波传感器熬有一定豹揭袋性，表现在搽溯波束角过大，方囊牲差；往往只姥获缛强轹黪鼹璃壤患，不船提供誉标的边赛信感；单一传感器静稳定性不瑾想簿。在实际应用巾，往往采用其健健感嚣补偿，或采用多传感器融合鼓术。级夕 探测的情瀑与趣声波相仿，但由于起探浏秘角小，方向设强一些，测量精度也省所提高，对数外探测数据进行E K F 滤波后用于定位怒一个可行的方

41、法。交予袋套镄感器鹫遮存在蘑露效搽灏蒸圈小、数缀可靠整羝等袋点，程实辍褒弱中经往饺惩多势转戆器莛校王 萋，共采惩传惑嚣融会技零对捡溺数攘邃行分析、塔台和平衡，蒯用数据闽瀚冗余和互补特僚进行容错处理，已求褥弱所鬻要的环境特性。所谓多传感器融合，是指将多个传感器采集的信息进行合成，形成对环境巢一特征的综合掐述的一种方法。使用这种方法，可使探测到的环境信患具有冗余性、互补链、蜜融性和低成本羽特点，同时还可戳谶篼摄像掇系统中重大豹数爨处理量。嚣 l 蓼旋簧惑嚣融会老甏蕊羯瓣方法骞秘投乎均法、卡尔曼滤波法、贝时斯估计法、统计决策理论方法、S h a f e r D e m p s t e r 证据壤理法

42、、产生式规娜法、模糊逐鞲法鞠人工神经网络方法等。加权平均法楚最简单和最直观的融合方法，它将多个传感器检测的荣誉数据进行加权平均，并用平均的结果作为融含的结果：利爝卡尔曼滤波可以褥到统计意义下的嫩优检溅数据售诗蓬；炎时矮筵嚣掌矮予暴露霹攘蹇撅噪声子撬瓣多筵感爨歉台；统诗决策褒论与委时聚 骞诗豹不霹之楚纛予千撬信号势不簧袋是熹瑟噪声，黼瑟鼹有更宽的适应范围：S h a r e r D e m p s t e r 证据推理是贝叶斯方法的扩展，这种方漉把局部成立的前提与全局成立黼掇分离开来，以便处理前提条件不毙熬的信息融台；搜用产擞式规则可以建立巍然景象专家系统，搬撼多健感器瀚检测数撵，使角符号来袭示

43、环境特征；模糊逻辑通过指定一个0 到 之间的嶷数寒表零粪实疫，霹敬将多传感器售怠融食道翟中静不确定髓粪按表示程终联：j 釜程审；基于人工神缎嬲络的多传感嚣融台，通过裔教弼娥无师囊学习爨滋避行髓络学习，一旦学习完成，该神经网络就能够根据网络权矩阵和网络拓扑结构形式存储的环境特饺信息，对输入神缀网络的传感器信息进行融合，这种系统具蠢缀强豹容错能力葶弱鸯掺槛。事实上，慕矮倦憨嚣融合技拳，黧不箨爨定瓣黻翻，将会大大溪热飘嚣大弱诗葬工 乍爨。为躐，j、数据诗冀爨，在其体闯题审，往 童不是对联密懿褥感墅鍪篓整查簦望堡鉴墅塑矍蹩茎墅一。器信息进褥融合，嚣是采灞传惑嚣分经方法，链对不逶熬行韵澈涯不滗鹃分缓，或

44、者对不同复杂程度的地形激活不N 数璧的传感器来探测，这样可以减少融合过穰中麓待箨量。2 2。a 耱经网络近年来，随餐人工神经网络磷究的深入，人们己将神经网络引入到智能机器入导航研究中，通过实例教学使丽络收敛，学习完成后的网络，际了萁丽有的并行特性外，还具有一定的鸯错能力，并且对学习中未遇到钓情况，也能进行定的垒釜理。橇嚣人系统是一个实时性要求缀高静非线往系统，人工神经霹络提供了解决这方面问题的可能性。出于棒经网络楚一个离度著孳亍豹分耀式系统，藏戳霹瘸采完成对税觉系统探测到的图像进行处理，它不仅处理速度高，还可以充分利用其非线性处理能力达戮环境及陵椽辨谖懿鏊静，逶哥叛党成辊瓣人疼帮坐标器全弱坐栝

45、瓣快速转换。另外，基于环境拓扑结构组织的网络，在给出目标后，还可以通过网络能蘩虽数鹣|殳敛髻譬剿一条矮捷途缀。神经网络爱导航中的应用还在于对避障和路径规划方面。出于避障和路径规划工 乍没有明擞粒擐剿嚣难戳邀孬瓣闼分类，可以鼓毒孛经鄹终透过大耋瓣实例举习来攀握。豳于不需要迭代，采用前向网络学习算法来学习避蹲行为时，速发缀快；K o h o n e n 网终骢自组织特性也可以嫣来融合传感器信息，学习从地图上不同位置到目标的彳予走路线，一旦学习完成后，机器人就能够实现自主导航。在有豁督的情况下，学习网络的虽大缺点在于环境改变鼯必须纛新学习，这在环境信息不完整或环境经常改变的情况下难以应用。为了解决这

46、个闯颗，有繇要给漱智能禚度更赢的、其有在无簸督情况下宣学习镌力的螽遥应神经黼络。这方麟的研究有：纂于V A M 表示的D I R R J E C T 模型的翻学习神经网络，它貔够完成鼗踪鬣标懿低层控翻；焉禳糊规铡知道攀习的网络，当环境改变之后可以重新启动模糊规则进行教学，可减少实例学习的工作量。2 2 4 模糊数学在自主导航过程中，对环境的描述往往包禽着一熄不确定因素，不能将其直接归类委l 菜一环境中，或采题蒺一暖镄豹援捉|，颞叛模期攘理在是圭导舷弼究中也得到较多应用。采用模糊逻辑，能够分离图像中的媳界象黉，获取物体轮廓；为提赢处理移魂瓤蒸 的髓径勰划稻避黠控制速度，还霹黻黧多维分布式嘏腱送行

47、并行运舞戳掇麓速鹰。模糊攥邂程导航中嬲敷碟，主饕在予藤予符为龄导胶。所谓蕊予行为的譬靛，就燕穗撬器入舱避韵遴灌分解为谶簿、边嚣漾踩、谲遥、篓拣鞠学簿綦本行为，鑫蒸本行为的激灞盎不鬻的极构分磷羧戳，机器入酸最终搡佟囱麓鼷控制祝构对蒸本裙为进行平鬻麓俸舞综合反应；传感嚣数据臻穰嬲遴辚送行融合麟，可以确定避孬激发低层行为，然餍海测用模糊攘理对襻程冲突熬低艨行为遴行优先权潮掰，从掰决怒爽黼搡作。摩予模糊攮强龅运爨鬣黼饕模攒蕊鲻黥埔艇藤按缀数燎筏，聪隧辩予鬟条的系统不霞袋羯攀一熬横獭藏爱 l 巢，聪皮辩搽溅倍惑运行分缀，分瘸髓艘不满的低艨行淹，然藤爝模糊规则协调低鼷韵律。锶她W 嗣3 藤模糊撩制勰劂宠威

48、鼯簸工 繁，其中底层受羹单个簿礴瀚滔让，中润痿受贲多个障褥黪潦让，鬻蘑爨贲潜艨舄销母工作鹃综合。为了提麓模糊攘溪速璇，还W 馘褥专门鹣模灏澄耩器谗。2；2+5 箕穗蠢蕊嚣饕簸磺巍G P S 爨夔爨爨防帮磷麟熬羹照簿簸蒙绕，毽国-Y S A 鹣攀 入嗣必气熬影螅，接穗誉麓耩确秘稳定蟪怒使藤器熬。麓了勰决这个瓣爨，袋愆D G P S 褒潸狳S A 黪彩醺，耀筵蕊嚣搽濑采突糯羹凝髅簿麓隔辩阀纛鹃惑饿；也可采爝L N S G P S 摆结合鲍策略。谯繇壤瑟煞翡蘩凝下，矮铙路径黪攘索攮遽譬魏黪一个礤褒谦越。W 虢采爝代徐搔索龅款佟方法，键酉掇撵邋火法铡髑凝伴实现路径蕊鲻，邀秘方法虽不鼹曝疆掰褥路径缌辩凝

49、伉，毯憝戳皴，l、躺懑阕代份柬换取糨对拭能瀚路较；萋予繇壤麓羚特绥鹣黯经筑黧萄激减少辩戆辫穗确性豹蔹羧，飘瑟扩大黪辍淡划瀚薄围。媳嚣人绝对黛耘懿获褥鬣遁避对多个基辩嫩檬翁灯塔 煞定谴鼓拳是一令专分关键懿鼓术滔鼹。在囊主车定谴系统中，采蘑垂穗谤和靛彝陀螺定蕴是一释最基本戆定位方式，这种方法在近距离定搜对，精魔掰，囊主性强，麓弥斡G P S 定位俸缆滋距离定位精度低的不足。此定位体统塌爨獠计测量车体豹运行距离，用航向陀螺测量车体运行的航向角，从而计算如自主车的位黄坐标。普通里程计每周脉冲次数较少，测距误差很大；航向陀螺存张蒲漂移和积累误差，使定位精度赡以保证。为此，本文采用了一种光电编码器一电子磁

50、罗盘组成的定位体系。2。5 光电编码器定位技术2，5 竞毫缡码器定位爨遴A L V 常采露西轮汽车为主馋，为光电编码器定位提供了条 孚。髑个光电编码嚣分别安装在自主移动机器入的两个左、右后轮上，兜电编码器与两个后轮同步转动。设车轮直径为D，光碣盘线数为P，h a 时间内光码盘输出的脉冲数为，车轮运行的距离为血，心=(P 谛D(1)由光电编码器测出的脉冲数，可求出后轮转过的距离，迸丽计算出车体的使霞坐标和运动方向。自主车的投影如图l 所示，圈中爿弘目)为两聪轮轴线的中点，其坐标表示车体的位嚣及方向，x 兔车体位萋的横坐标，y 为率体位置筑级坐标，#为蕴与z 轴之阕弱炙惫，L、R 势剩我表左右疆痿