一、課題研究背景

機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展極大地提高了工農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)效率，深刻地改變了人類的生活面貌。機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動(dòng)控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化。上世紀(jì)五十年代在美國誕生了世界上第一臺(tái)機(jī)器人，從此機(jī)器人真正的走進(jìn)了人們的生活。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、超大規(guī)模集成電路、控制理論、人工智能、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)器人學(xué)的研究也步入一個(gè)嶄新的階段。從早期的可編程的、示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人到具有一定傳感和適應(yīng)能力的機(jī)器人，再到配備多種先進(jìn)傳感器，具有智能的機(jī)器人，機(jī)器人學(xué)的研究經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜，功能單一到功能多樣，從工業(yè)制造領(lǐng)域擴(kuò)展到軍事偵察、核工業(yè)、航空航天、服務(wù)業(yè)、醫(yī)療器械、基因工程、社會(huì)服務(wù)、娛樂等領(lǐng)域的過程。在人類對宇宙的探索領(lǐng)域，美國的“勇氣”號(hào)登陸火星進(jìn)行自動(dòng)探測，中國“嫦娥一號(hào)”繞月探測，代表了目前機(jī)器人的最高技術(shù)水平。在可以預(yù)見的將來，機(jī)器人技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛、深入。

當(dāng)前，機(jī)器人正朝著智能化和多樣化等方向發(fā)展，應(yīng)用范圍得到了極大的擴(kuò)展。隨著國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對機(jī)器人研究的不斷深入，已經(jīng)開發(fā)出各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器人，并推出了各種樣機(jī)，如移動(dòng)機(jī)器人、微型機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、服務(wù)娛樂機(jī)器人、仿人機(jī)器人等。

移動(dòng)機(jī)器人是最具代表性的一種機(jī)器人。它集中了傳感器技術(shù)，機(jī)械工程，電子工程，自動(dòng)化控制工程，圖像實(shí)時(shí)處理，計(jì)算機(jī)視覺以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，代表機(jī)電一體化的最高成就。因此，多學(xué)科交叉而形成的機(jī)器人學(xué)研究也進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。移動(dòng)機(jī)器人具有重要的軍用和民用價(jià)值，而且其在惡劣的環(huán)境下也具有極其廣泛的應(yīng)用。例如：自動(dòng)排雷機(jī)器人，用于深海海底勘探的水下機(jī)器人，無人駕駛的智能車，礦井中煤炭挖掘機(jī)器人以及石油和天然氣的勘探機(jī)器人等等。

移動(dòng)機(jī)器人要想走向?qū)嵱帽仨殦碛心軇偃蔚倪\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有既安全又友好地與人一起工作的能力，此外移動(dòng)機(jī)器人的智能性也是決定其應(yīng)用前景的關(guān)鍵因素。一般來說，智能機(jī)器人應(yīng)具備感知、思維和靈巧動(dòng)作三個(gè)相互作用的基本功能，評價(jià)一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人智能程度的指標(biāo)包括自主性、適應(yīng)性和交互性等條件。自主性是指機(jī)器人能根據(jù)工作任務(wù)和周圍環(huán)境情況，自己確定工作步驟和工作方式；適應(yīng)性是指機(jī)器人具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力（主要通過學(xué)習(xí)），不但能識(shí)別和測量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，及做出正確的判斷并操作和移動(dòng)等能力；交互性是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人及機(jī)器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。

二、課題研究概述

機(jī)器人涉及到的技術(shù)復(fù)雜并不斷擴(kuò)展，如多傳感器信息融合、路徑規(guī)劃、機(jī)器人視覺、智能人機(jī)接口等，為此，產(chǎn)生了一系列研究課題。

路徑規(guī)劃是機(jī)器人學(xué)研究中非常重要的一個(gè)部分，不管在科研、經(jīng)濟(jì)、軍事上都有著重要意義。因此，國內(nèi)外的科學(xué)家圍繞路徑規(guī)劃展開的研究非常多，從算法設(shè)計(jì)、算法分析、仿真實(shí)驗(yàn)等各方面開展研究。

2.1?移動(dòng)機(jī)器人簡介

機(jī)器人是現(xiàn)今高科技發(fā)展的代表方向之一，就其發(fā)展來看大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：

第一階段是可編程的示教再現(xiàn)型機(jī)器人。它不配備任何外部傳感器，一般采用簡單的開關(guān)控制，示教再現(xiàn)控制和可編程控制，機(jī)器人的作業(yè)路徑或運(yùn)動(dòng)參數(shù)都需要示教或編程給定，它無法感知環(huán)境的改變而改善自身的性能、品質(zhì)。

第二階段是具有一定的感知功能和一定適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人。這種機(jī)器人配備了簡單的內(nèi)部傳感器，能感知自身運(yùn)動(dòng)的速度、位置、姿態(tài)等物理量，并以這些信息的反饋構(gòu)成閉環(huán)控制；簡單的外部傳感器如簡易視覺、力覺傳感器等，因而具有部分適應(yīng)外界環(huán)境的能力。

第三階段是智能型機(jī)器人。目前尚處于研究和發(fā)展之中，它具有多種外部傳感器組成的傳感系統(tǒng)，可通過對外部環(huán)境信息的獲取、處理，準(zhǔn)確地描述外部環(huán)境，能自主地完成某一項(xiàng)任務(wù)。一般地，它擁有自己的知識(shí)庫、多信息處理系統(tǒng)，可在結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中工作，能根據(jù)環(huán)境的變化做出對應(yīng)的決策。

移動(dòng)機(jī)器人屬智能型機(jī)器人范疇，是集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。它可根據(jù)預(yù)先給定的任務(wù)，按照已知地圖做出目標(biāo)規(guī)劃，在行進(jìn)過程中不斷感知周圍環(huán)境的信息，實(shí)時(shí)的進(jìn)行避障、停車及道路跟蹤，沿著正確的路徑前進(jìn)。

20世紀(jì)90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開始了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。

2.2?移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃定義

移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃是指在有障礙物的工作環(huán)境中，如何尋找一條從給定起點(diǎn)到終點(diǎn)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)路徑，使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中能安全、無碰撞地繞過所有障礙物。這不同于用動(dòng)態(tài)規(guī)劃等方法求得的最短路徑，而是指移動(dòng)機(jī)器人能對靜態(tài)及動(dòng)態(tài)環(huán)境作出綜合性判斷，進(jìn)行智能決策。

2.3?移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃分類

路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的基本環(huán)節(jié)之一，根據(jù)機(jī)器人對環(huán)境信息掌握的程度、障礙物的不同，移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃又可分為以下幾類：

（l）己知環(huán)境下靜態(tài)環(huán)境路徑規(guī)劃；

（2）未知環(huán)境下靜態(tài)環(huán)境路徑規(guī)劃；

（3）已知環(huán)境下動(dòng)態(tài)環(huán)境路徑規(guī)劃；

（4）未知環(huán)境下動(dòng)態(tài)環(huán)境路徑規(guī)劃。

也可根據(jù)機(jī)器人擁有環(huán)境知識(shí)情況的不同，可分為兩種類型：一是基于環(huán)境先驗(yàn)信息已知的全局路徑規(guī)劃，二是基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃，后者情況是環(huán)境未知或部分未知的，即障礙物的尺寸、形狀和位置等信息必須通過傳感器獲取。

全局路徑規(guī)劃是指根據(jù)先驗(yàn)環(huán)境模型找出從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的符合一定性能的可行或最優(yōu)路徑，它能夠處理完全已知環(huán)境中的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃，涉及的基本問題是世界模型的表達(dá)和搜尋策略。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，如出現(xiàn)未知障礙物時(shí)，該方法就無能為力了。它是一種事前規(guī)劃，因此對機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力要求不高，規(guī)劃結(jié)果是全局的、較優(yōu)的，但是對環(huán)境模型的錯(cuò)誤及噪聲魯棒性差。這種方法主要包括可視圖法、結(jié)構(gòu)空間法、柵格法和拓?fù)浞ǖ取?/p>

局部路徑規(guī)劃，環(huán)境信息完全未知或部分未知，通過傳感器在線地對機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測，以獲取障礙物的位置和幾何性質(zhì)等信息，這種規(guī)劃需要搜集環(huán)境數(shù)據(jù)，并且對該環(huán)境模型的動(dòng)態(tài)更新能夠隨時(shí)進(jìn)行校正；局部規(guī)劃方法將對環(huán)境的建模與搜索融為一體，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有高速的信息處理能力和計(jì)算能力，對環(huán)境誤差和噪聲有較高的魯棒性，能對規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和校正，但是由于缺乏全局環(huán)境信息，所以規(guī)劃結(jié)果有可能不是最優(yōu)的，甚至可能找不到正確路徑或完整路徑。

局部路徑規(guī)劃和全局路徑規(guī)劃并沒有本質(zhì)區(qū)別。前者只是把全局路徑規(guī)劃的環(huán)境考慮得更復(fù)雜一些，即環(huán)境是動(dòng)態(tài)的。很多適用于全局路徑規(guī)劃的方法經(jīng)過改進(jìn)都可以用于局部路徑規(guī)劃；而適用于局部路徑規(guī)劃的方法都可以適用于全局路徑規(guī)劃。

在已知的靜態(tài)環(huán)境中，一般采用一次性規(guī)劃即可得到一條可行路徑。隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，環(huán)境復(fù)雜性相應(yīng)增加。機(jī)器人難以獲取關(guān)于環(huán)境的全部描述，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)開始時(shí)也可能對環(huán)境一無所知，機(jī)器人只能通過裝配于自身的傳感器在運(yùn)動(dòng)過程中獲取環(huán)境信息，根據(jù)這些局部信息做出相應(yīng)的分析、判斷與決策，提高機(jī)器人對環(huán)境的適應(yīng)性。理想的移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)該具有如下能力：當(dāng)處于一個(gè)未知的、動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中時(shí)，通過探索掌握環(huán)境信息，自主地決定路徑，避開障礙物，實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)。因此，和全局規(guī)劃方法相比較，局部規(guī)劃方法更具有實(shí)時(shí)性和實(shí)用性，局部路徑規(guī)劃的研究成為主流。