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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

2019年11月05日 文章来源:网络整理 热度:62℃ 作者:刘英

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。

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

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。

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