移动机器人路径规划算法研究及仿真系统平台的设计与实现

一、课题研究背景

机器人的出现和发展极大地提高了工农业的劳动效率，深刻地改变了人类的生活面貌。机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。上世纪五十年代在美国诞生了世界上第一台机器人，从此机器人真正的走进了人们的生活。随着计算机技术、超大规模集成电路、控制理论、人工智能、传感器等相关技术的发展，对机器人学的研究也步入一个崭新的阶段。从早期的可编程的、示教再现型工业机器人到具有一定传感和适应能力的机器人，再到配备多种先进传感器，具有智能的机器人，机器人学的研究经历了从简单到复杂，功能单一到功能多样，从工业制造领域扩展到军事侦察、核工业、航空航天、服务业、医疗器械、基因工程、社会服务、娱乐等领域的过程。在人类对宇宙的探索领域，美国的“勇气”号登陆火星进行自动探测，中国“嫦娥一号”绕月探测，代表了目前机器人的最高技术水平。在可以预见的将来，机器人技术在各个领域的应用将会更加广泛、深入。

当前，机器人正朝着智能化和多样化等方向发展，应用范围得到了极大的扩展。随着国内外研究机构对机器人研究的不断深入，已经开发出各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人，并推出了各种样机，如移动机器人、微型机器人、水下机器人、军用机器人、服务娱乐机器人、仿人机器人等。

移动机器人是最具代表性的一种机器人。它集中了传感器技术，机械工程，电子工程，自动化控制工程，图像实时处理，计算机视觉以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就。因此，多学科交叉而形成的机器人学研究也进入了一个崭新的阶段。移动机器人具有重要的军用和民用价值，而且其在恶劣的环境下也具有极其广泛的应用。例如：自动排雷机器人，用于深海海底勘探的水下机器人，无人驾驶的智能车，矿井中煤炭挖掘机器人以及石油和天然气的勘探机器人等等。

移动机器人要想走向实用必须拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有既安全又友好地与人一起工作的能力，此外移动机器人的智能性也是决定其应用前景的关键因素。一般来说，智能机器人应具备感知、思维和灵巧动作三个相互作用的基本功能，评价一个移动机器人智能程度的指标包括自主性、适应性和交互性等条件。自主性是指机器人能根据工作任务和周围环境情况，自己确定工作步骤和工作方式；适应性是指机器人具有适应复杂工作环境的能力（主要通过学习），不但能识别和测量周围的物体，还有理解周围环境和所要执行任务的能力，及做出正确的判断并操作和移动等能力；交互性是智能产生的基础，交互包括机器人与环境、机器人与人及机器人之间三种，主要涉及信息的获取、处理和理解。

二、课题研究概述

机器人涉及到的技术复杂并不断扩展，如多传感器信息融合、路径规划、机器人视觉、智能人机接口等，为此，产生了一系列研究课题。

路径规划是机器人学研究中非常重要的一个部分，不管在科研、经济、军事上都有着重要意义。因此，国内外的科学家围绕路径规划展开的研究非常多，从算法设计、算法分析、仿真实验等各方面开展研究。

2.1 移动机器人简介

机器人是现今高科技发展的代表方向之一，就其发展来看大致经历了以下三个阶段：

第一阶段是可编程的示教再现型机器人。它不配备任何外部传感器，一般采用简单的开关控制，示教再现控制和可编程控制，机器人的作业路径或运动参数都需要示教或编程给定，它无法感知环境的改变而改善自身的性能、品质。

第二阶段是具有一定的感知功能和一定适应能力的离线编程机器人。这种机器人配备了简单的内部传感器，能感知自身运动的速度、位置、姿态等物理量，并以这些信息的反馈构成闭环控制；简单的外部传感器如简易视觉、力觉传感器等，因而具有部分适应外界环境的能力。

第三阶段是智能型机器人。目前尚处于研究和发展之中，它具有多种外部传感器组成的传感系统，可通过对外部环境信息的获取、处理，准确地描述外部环境，能自主地完成某一项任务。一般地，它拥有自己的知识库、多信息处理系统，可在结构或半结构化的环境中工作，能根据环境的变化做出对应的决策。