【正文】 獻(xiàn)30致謝31附錄32第一章 緒論 論文背景和意義自1962年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來，經(jīng)過40余年的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)以及應(yīng)用都已取得非常大的進(jìn)步。本文對(duì)基于超聲波測(cè)距的自主移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問題進(jìn)行了較為深入的探討和分析。首先。可以說機(jī)器人的出現(xiàn)，是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。移動(dòng)機(jī)器人由于具有更大的使用靈活性已成為目前機(jī)器人技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。世界各地的專家學(xué)者都在不斷致力于機(jī)器人技術(shù)的研究，尤其是移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航和路徑規(guī)劃技術(shù)方面，已經(jīng)取得了相當(dāng)多的研究成果。就國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，以上幾種導(dǎo)航方式均在研究之中，而磁導(dǎo)航方式的技術(shù)已相當(dāng)成熟。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理是自主導(dǎo)航研究中的兩個(gè)重要工具，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本集的完整性研究尚未取得突破，將事件空間的每一點(diǎn)都作為網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本顯然是不可取的；模糊邏輯推理則側(cè)重于模糊規(guī)則的選取，但有些規(guī)則很難形式化描述，或者必須用大量的規(guī)則描述而增大運(yùn)算量，這樣就背離了模糊邏輯應(yīng)用的初衷，因此近年來將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯結(jié)合起來，應(yīng)用到自主導(dǎo)航研究中就成了機(jī)器人研究的熱門課題。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，如出現(xiàn)未知障礙物時(shí)，這種方法就無能為力了。通過優(yōu)化算法在單元中搜索最優(yōu)路徑。目標(biāo)點(diǎn)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生引力作用，障礙物對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生斥力作用，引力和斥力的合力控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。　(3) 基于行為的路徑規(guī)劃方法 所謂基于行為的研究方法是把移動(dòng)機(jī)器人所要完成的任務(wù)分解成一些基本的、簡(jiǎn)單的行為單元，這些單元彼此協(xié)調(diào)工作。并詳細(xì)介紹機(jī)器人超聲波測(cè)距原理以及超聲波測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用于導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。 無源測(cè)距技術(shù)經(jīng)典的距離測(cè)量方法使用無源測(cè)距技術(shù)，我們稱之為被動(dòng)方法，例如立體視覺和結(jié)構(gòu)光方法。主動(dòng)傳感器工作時(shí)不僅使用自然光照，它自身也對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生光照。超聲波傳感器具有反應(yīng)靈敏、探測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，因而在目前已知的移動(dòng)機(jī)器人中，多數(shù)都安裝了它，用于室內(nèi)和室外近距離避障。微波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是因目標(biāo)的顏色、材質(zhì)等不同而引起的反射率變化小，對(duì)霧的透過率高，受灰塵、霧、雨的影響小，在各種目標(biāo)和氣候條件下都能比較穩(wěn)定的進(jìn)行探測(cè)。它與傳統(tǒng)獲得深度信息的方法不同，激光測(cè)距雷達(dá)不僅可以在有環(huán)境光的情況下工作，也可以在無環(huán)境光中工作，而且在無環(huán)境光的情況下測(cè)量效果更好。由于超聲波傳感器具有成本低廉，采集速度快，距離分辨率高，質(zhì)量輕、體積小、易于裝卸的優(yōu)點(diǎn)，并且超聲波傳感器在采集環(huán)境信息時(shí)不存在復(fù)雜的圖象匹配技術(shù)，不需要通過大量的計(jì)算就可獲得數(shù)據(jù)，因而其測(cè)距速度快，實(shí)用性好。由于外部傳感器為集多種學(xué)科為一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善，機(jī)器人的功能越來越強(qiáng)大，將在許多領(lǐng)域?yàn)槿祟愖龀龈筘暙I(xiàn)。 按收發(fā)方式又分兩類：一類是發(fā)射和接收分別是兩種不同的分體式超聲波傳感器，此類傳感器測(cè)距有效范圍比較大，但不具備防塵、防水性能，如用于發(fā)射的MA40A5S及用于接收的MA40A5R 。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面，會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。然后詳?xì)講述了超聲波發(fā)生器原理和超聲波測(cè)距原理。CV 值越高，表征存在障礙物的可能性越高。 柵格法建模在這里采用柵格法建立環(huán)境地圖模型?，F(xiàn)在，我們就兩個(gè)超聲波傳感器A、B討論一下環(huán)境信息的獲取。也就是說，當(dāng)我們進(jìn)行一次探測(cè)后，我們將可能存在障礙物的柵格的CV值加1。也就是說采集到的物體位置信息（X，Y）不僅應(yīng)該是二維平面的x和y的函數(shù)，也是時(shí)間t的函數(shù)。建立車體局部坐標(biāo)系就是為了描述當(dāng)前探測(cè)到的局部信息，它主要用于控制機(jī)器人的當(dāng)前行走。首先，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人，轉(zhuǎn)彎是相當(dāng)費(fèi)時(shí)的，理論上，除了順次掃描，沿邊走能有效的減少轉(zhuǎn)彎的次數(shù)。 圖42 內(nèi)螺旋式“回”字型路徑示意圖圖中箭頭表示行走方向，直線表示行走路線，虛線表示返回停放位置的可能路徑。這也正是我們采用沿邊走算法的主要因素之一。結(jié)合兩方面的信息，我們就可以完整而且準(zhǔn)確的判斷“走完一圈的過程”。在遇到非線性障礙物后，我們將轉(zhuǎn)過的角度和記錄下來，當(dāng)然，這樣就相當(dāng)于沒有墻壁做參考，然而，由于只要在一圈中，誤差不超過45 度，就可以滿足算法的精度要求了，因此，我們認(rèn)為是可行的。環(huán)境地圖模型如圖31所示。圖51中，清潔機(jī)器人所走過的路徑標(biāo)記為黑色，白色圓圈為機(jī)器人清潔完畢自動(dòng)返回停放位置的行走路線。本文采用的超聲波測(cè)距是近年來發(fā)展起來的一種測(cè)距方法， 具有很多的優(yōu)越性。另外，單個(gè)規(guī)劃方法有時(shí)不能很好地解決某些規(guī)劃問題， 所以新的發(fā)展趨向于將多種方法相結(jié)合。3) 多傳感器信息融合用于路徑規(guī)劃。傳統(tǒng)的基于模型自頂向下的感知建模規(guī)劃動(dòng)作是一種典型慎思結(jié)構(gòu)，具有一定理性，稱為基于功能的控制體系結(jié)構(gòu)。移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃的方法有很多，可以說各有優(yōu)缺點(diǎn)，也沒有一種方法能夠適用于任何場(chǎng)合。使用了柵格法來進(jìn)行環(huán)境建模，在進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃時(shí)，采用了一種稱作沿邊走的算法來進(jìn)行路徑規(guī)劃，這種路徑規(guī)劃行程較短，轉(zhuǎn)彎的次數(shù)較少，有效地提高效率。我遇到了很多的困難，謝謝你給我選題，給我提供一些相關(guān)資料，給我指導(dǎo)，幫我分析問題，謝謝你一直都很耐心的幫助我。在這里，我要向他們表達(dá)我真摯的謝意。本論文主要探討的是基于超聲波測(cè)距的自主移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問題。因此它很有發(fā)展前途。4) 基于功能/行為的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃。智能化方法能模擬人的經(jīng)驗(yàn)，逼近非線性，具有自組織、自學(xué)習(xí)功能并且具有一定的容錯(cuò)能力。隨著移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大， 對(duì)于規(guī)劃技術(shù)的要求也越來越高， 移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃的性能指標(biāo)要不斷提高。 本章小結(jié)本章對(duì)移動(dòng)機(jī)器人使用沿邊走路徑規(guī)劃算法進(jìn)行室內(nèi)清潔工作的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證沿邊走路徑規(guī)劃算法的有效性。針對(duì)超聲波測(cè)距比較適用于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)，具體討論了移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境下采用沿邊走路徑規(guī)劃算法進(jìn)行地面清潔的行走和避障過程。圖43 無障礙環(huán)境“回”字型路徑規(guī)劃流程圖（2）避障路徑規(guī)劃避障算法應(yīng)該滿足下列三個(gè)要求：實(shí)時(shí)性、應(yīng)用性和可靠性，即要求算法簡(jiǎn)單可行，在保證與障礙物不發(fā)生碰撞和安全的前提下移動(dòng)。這樣就可以根據(jù)歷史角度微調(diào)的數(shù)據(jù)判斷是否遇到非線型的障礙物了，因?yàn)?，碰到非線型的障礙物，機(jī)器人會(huì)不斷向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，然而，一般做微調(diào)時(shí)，主要是由于地面摩擦或偶然出現(xiàn)的因素造成的(因?yàn)樵诖酥?，機(jī)器人的移動(dòng)過程已經(jīng)被反饋糾正過了) ，這些因素的出現(xiàn)是隨機(jī)的，因此，機(jī)器人不可能始終向同一方向微調(diào)。因此，我們可以較好的處理機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)帶來的角度誤差。(3) 機(jī)器人自身定位為了能夠提供機(jī)器人坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，機(jī)器人自身的坐標(biāo)是相當(dāng)重要的。清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃是根據(jù)所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并實(shí)現(xiàn)封閉區(qū)域內(nèi)機(jī)器人行走路徑對(duì)工作區(qū)域的最大覆蓋率和最小重復(fù)率。這就是我們采用“沿邊走算法”的基本出發(fā)點(diǎn)。（2）車載坐標(biāo)系由于自主式移動(dòng)機(jī)器人是在運(yùn)動(dòng)過程中，探測(cè)當(dāng)前環(huán)境的信息的。因此超聲波傳感器采集信息的工作方式應(yīng)該是邊走邊掃描記錄?；騜最近的障礙物可能在1，2，3任意柵格中，也就是1，2，3中都有有存在障礙物的可能。 基于超聲波傳感器測(cè)距的柵格化方法如圖32所示，我們利用多對(duì)超聲波傳感器的角度掃描范圍，以及傳感器最大距離探測(cè)誤差為半徑分割整個(gè)平面，這樣，我們就得到一個(gè)被分割成許多柵格的平面。不同的傳感器由于采集環(huán)境信息的方法不同，所獲得柵格形狀和精確度也不同。這里僅介紹和使用柵格法來進(jìn)行環(huán)境建模。再根據(jù)公式（21）即可求得距離。附錄中表2列出了幾種不同溫度下的聲速。超聲波傳感器在機(jī)器人上的分布如圖22所示。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。由渡越時(shí)間和介質(zhì)中的聲速即可求得目標(biāo)與傳感器之間的距離。因此，我們對(duì)于傳感器的選擇，也集中在測(cè)量距離這一參數(shù)上。通過二維或三維的掃描激光束或光平面，激光測(cè)距雷達(dá)能夠以相對(duì)高的頻率提供大量準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)。角度分辨率高于超聲波和紅外傳感器，低于激光傳感器，距離分辨率略高于超聲波傳感器。在移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身反射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出和回波接收時(shí)間差及傳播速度，計(jì)算出傳播距離，從而得到障礙無物到機(jī)器人的距離。有源測(cè)距技術(shù)使用主動(dòng)傳感器替代被動(dòng)傳感器，它由于具有以下的兩大優(yōu)點(diǎn)而在實(shí)時(shí)機(jī)器人領(lǐng)域顯示出誘人的魅力：（1）主動(dòng)傳感器不存在復(fù)雜的圖象匹配技術(shù)，不象立體視覺需要通過大量的計(jì)算獲取距離數(shù)據(jù)，因而實(shí)時(shí)性好，測(cè)距速度快。移動(dòng)機(jī)器人可以根據(jù)這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)避障、導(dǎo)航和執(zhí)行特定的任務(wù)。 本論文的主要內(nèi)容本論文的主要研究基于超聲波測(cè)距的自主移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)，重點(diǎn)進(jìn)行了以下工作：（1）概述自主移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，以及國(guó)內(nèi)外導(dǎo)航技術(shù)和路徑規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[12通過引入虛擬障礙物使搜索過程跳出局部最優(yōu)的陷阱，但引入虛擬障礙物可能會(huì)產(chǎn)生新的局部極小點(diǎn)，同時(shí)也增加了算法的復(fù)雜度。(2) 基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃人工勢(shì)場(chǎng)法( artificial potential field) 最初由Khatib 提出[9]，這種方法由于它的簡(jiǎn)單性和優(yōu)美性而被廣泛采用。CV 值越高，表征存在障礙物的可能性越高。目前，路徑規(guī)劃可以分為三種類型:一種是基于環(huán)境先驗(yàn)完全信息的路徑規(guī)；另一種是基于傳感器信息的不確定環(huán)境的路徑規(guī)劃；第三種是基于行為的路徑規(guī)劃方法。在一個(gè)智能系統(tǒng)中，使用單一的智能控制方法，往往不能取得滿意的效果。目前，國(guó)內(nèi)制造行業(yè)使用的移動(dòng)機(jī)器人大多還是基于這種導(dǎo)航方式?；诔暡y(cè)距的自主移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃正是機(jī)器人智能控制技術(shù)中的一項(xiàng)重要課題。研究能夠在復(fù)雜環(huán)境中自主運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)作業(yè)的智能自主移動(dòng)機(jī)器人勢(shì)在必行。 ultrasonic?；诔暡y(cè)距的自主移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)中的一項(xiàng)重要研究課題。對(duì)自主移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，以及移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)和路徑規(guī)劃技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。近年來，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天及空間探測(cè)等許多領(lǐng)域都起到了重要的作用，顯示了廣泛的應(yīng)用前景[2]。 自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀導(dǎo)航是移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)具備的基本功能，是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化及完全自主工作的關(guān)鍵技術(shù)之一。中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所已生產(chǎn)出基于磁導(dǎo)航的多代機(jī)器人產(chǎn)品。傳感器融合技術(shù)在近年來被引入到了機(jī)器人導(dǎo)航研究中，并已取得令人振奮的成果，采用常規(guī)傳感器導(dǎo)航的