移动机器人避障与路径规划研究
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从移动机器人的历史和现状出发，对比了国内外的不同发展状况，对移动机器 人领域的研究方向进行了综述。着重介绍了移动机器人避障与路径规划中常用的方 法，对其中的势场法，栅格法、遗传算法进行了逐一的分析阐述。
本文主要研究的是使用移动机器人本体的１６个同质传感器来进行机器人的避障 与路径规划。移动机器人在实际应用中首先遇到的就是机器人本身的定位问题，确 保机器人的初始位姿的准确性是完成任务的前提。本论文使用定位的方法之一是路 标法。移动机器人的基本运动控制一般有两种，直线运动和圆弧运动，通过这两种 典型分解运动的特性就能比较准确的对机器人进行控制。其次，本文将移动机器人 的避障运动分解成两种基本的动作：避开前方和侧面的障碍物，并对这两种动作做 了深入的分析。另外，本文分析了基于声纳的未知环境特征提取方法和安全避障距 离选取的原则：给出了基于势场法的移动机器人避障策略：阐述了Ａ４算法在机器人 迷宫地图最优路径规划实现中的应用。
华中科技大学硕士学位论文
人的序幕，如ＤＡＲＰＡ的“战略计算机”计划中的自主地面车辆（ＡＬＶ）计划（１９８３ —１９９０），能源部制订的为期１０年的机器人和智能系统计划（ＲＩＰＳ）（１９８６－－１９９５）， 以及后来的空间机器人计划；日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划等…。
美国航空暨太空总署（ＮＡＳＡ）研制的火星探测机器人索杰那于１９９７年登上火星， 这一事件向全世界进行了报道。德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车 站的客流高峰期的环境和１９９８年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实 地现场表演。该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有大量乘客的环境中，进行了超过 ３６个小时的考验，所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人或移动机器人所不可比 的【５ｌ。不久以前美国的另外两个火星探测机器人：精神号（Ｓｐｉｒｉｔ）与机会号 （Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ），已经分别在２００４年１月３日及２４日登陆火星，引起了全世界的广泛 关注。
②国内移动机器人研究概况 国内在移动机器人的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主 要的研究工作有：清华大学智能移动机器人于１９９４年通过鉴定。涉及到五个方面的 关键技术【６】：基于地图的全局路径规划技术研究（准结构道路网环境下的全局路径规 划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划）；基
２－Ｄｘｅ ｒｏｂｏｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍａｄｅ ｂｙ ＡｃｔｉｖＭｅｄｉａ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ｃｏｍｐａｎｙ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｒｅ ａｓ
ｆｏｌｌｏｗｓ：
Ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｍａｋｅｓ ａ ｓｕｍｍａｒｉｚｅ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｆｏｒｅｉｇｎ ａｎｄ ｄｏｍｅｓｔｉｃ．Ｓｅｖｅｒａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｓｕｃｈ ａｓ
本文另外一个成果是构建了一个基于ＶＣ的移动机器人通信平台，给出了通信 平台的数据包协议格式和具体实现。
本文利用Ｐｉｏｎｅｅｒ ＩＩ移动机器人对上述算法和策略进行了实验。实验结果和分析 证明了使用的原理和算法的有效性和正确性。
论文结尾对全文进行了总结并对移动机器人避障与路径规划研究进行了展望。
关键词：移动机器人，路径规划，避障，数据融合，声纳，Ａ‘算法
ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｖｅｒａｃｉｏｕｓ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｔｏ ｆｉｎｉｓｈ ｔｈｅ ｔａｓｋ．
Ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｕｓｅ ｒｏａｄ ｍａｒｋ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｈａｖｅ ｔｗｏ ｔｙｐｉｃａｌ
ｍｏｖｅｍｅｎｔ：ｌｉｎｅ ａｎｄ ｃｉｒｃｌｅ．Ｗｅ Ｃａｎ ｕｓｅ ｔｈｉｓ ｔＷＯ ｔｙｐｉｃａｌ ｍｏｖｅｍｅｎｔ’ｓ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｂｏｔ．Ｎｅｘｔ，ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｄｅｃｏｍｐｏｓｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｓ ｔｗｏ ｂａｓｉｃ ａｃｔｉｏｎｓ：ａｖｏｉｄｉｎｇ ｆｒｏｎｔ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ａｎｄ ａｖｏｉｄｉｎｇ ｓｉｄｅ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ．Ｉｎ—ｄｅｐｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｔｈｅ ｔｗｏ
ｓｔｒａｔｅｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ．
Ｍｏｖｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ ａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＶＣ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ
ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒｍａｔ ｏｆ ｄａｔａ ｐａｃｋａｇｅ ａｒｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ．
分：
①国外移动机器人的发展概况 美国国家科学委员会曾预言：“２０世纪的核心武器是坦克，２１世纪的核心武器 是无人作战系统，其中２０００年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队，并走向 战场”ａ为此，从８０年代开始，美国国防高级研究计划局（ＤＡＲＰＡ）专门立项，制 定了地面无人作战平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔＯ ｓｏｎｉｃ ｅｘｔｅｎｔ．Ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ’Ｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍａｋｅｓ ａ ｄｅｅｐ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｓｔｕｄｙ ｏｆ
ｍｕｌｔｉ—ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ’ｓ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｉｏｎｅｅｒ
华中科技大学 硕士学位论文 移动机器人避障与路径规划研究 姓名：吴涛 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：黄心汉
20040511
华中科技大学硕士学位论文
摘要
移动机器人研究是机器人学中的一个重要分支。移动机器人避障与路径规划又 是机器人研究的一个重要方向。目前，随着机器人技术的不断进步，机器人学科越 来越具有强大的生命力，它在某种程度上已经代表当今信息技术、自动化技术、系 统集成等技术的最新发展。本文以美国ＡｃｔｉｖＭｅｄｉａ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ公司生产的Ｐｉｏｎｅｅｒ ２－Ｄｘｅ型机器人为研究对象，从多个方面对移动机器人的避障与路径规划进行了深入 的系统研究，其主要的内容和成果如下：
爨密国，京
本论文满于
不镁密峦《
…每簿寮嚣适臻零援蔽书。
（请在以上方糨内打“√”）
……躲未：懿
日期：扣口毕年ｒ月ｌｌ皑
搔警毅爨签壤ｙ努ｐ
日期：√一础雌，熙ｓ／日
华中科技大学硕士学位论文
１ 绪论
１ １ 引言
１．１．１ 移动机器人的历史与现状 机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的
Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｉＳ ｈｏｗ ｔｏ ｕｓｅ ｓｉｘｔｅｅｎ ｓｏｎａｒ ｓｅｎｓｏｒｓ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ
ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ．Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｅ ｓｈｏｕｌｄ ｓｏｌｖｅ ｉｓ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ
㈨姗鼢焉奇
日期；和｛》毕年≯月；ｉ同
学位论文版权使用授权书
本攀馕论文｛棠者完垒了解学校毒关傺窿、使熙学槛论文鲍嫂定，群。学搜糍 蔽谦瞽势浇营象离关部门藏辊构送交论文船复邸件和电予版，允许论文被查阅和
措阕。本人授援媾中辩控大学霹戳游本掌往论文鳃全部藏躲分农容鬃天寮关鼗器 簿进行梭潦，可戳采用影印、缩印或扫描等复制乎段保襻和汇编本学位论文。
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ
一个重要分支。早在６０年代，就已经开始了关于移动机器人的研究。关于移动机器 人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的， 对于水下机器人，则是推进式【ｌ】。斯坦福研究院（ＳＲＩ）的Ｎｉｌｓ Ｎｉｌｓｓｅｎ和Ｃｈａｒｌｅｓ Ｒｏｓｅｎ 等人，在１９６６年至１９７２年中研造出了取名Ｓｈａｋｅｙ的自主移动机器人。目的是研究 应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制‘２１。与此同时， 最早的步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机 器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。其中最著名是 名为Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｑｕａｄｒｕｐｅｄ的步行机器人ｆ３】。７０年代末，随着计算机的应用和传 感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在８０年代中期，设计和 制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台， 这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进 了移动机器人学多种研究方向的出现。９０年代以来，以研制高水平的环境信息传感 器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标 志，开展了移动机器人更高层次的研究【４１。移动机器人研究发展状况以国内和国外来
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ，ｇｒｉｄ ｍｅｔｈｏｄ，ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｏｂｉｌｅ
ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．
Ａ＋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
ＩＩＩ
独创性声蹒
本人声明所慝交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的
磷变袋暴；瑟我艇辩，豫文孛墨疑蠢鬻霉ｌ嚣翦蠹骞磬，率论文季龟含经舞箕憩令 人或集体已经艘寝或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贯献的个人和集体，
薅已在囊孛鞋襞凑方式拣凑。零天宠垒蠢瑷豸奉声餮翡滚簿绣慕蔽奉天承瞧。
Ｗｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｚｅ ｗｉｔｈ Ｐｉｏｎｅｅｒ ＩＩ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ’Ｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｂｏｖｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｎｄ
ｉｓ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ．
Fra Baidu bibliotek
ＩＩ
华中科技大学硕士学位论文
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｐａｔｈ
ｐｌａｎｎｉｎｇ。
ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ，ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ，ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ，ｄａｔａ ｆｕｓｉｏｎ，ｓｏｎａｒ，
ａｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ．Ａｎｏｔｈｅｒ，ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓａｆｅ ａｖｏｉｄｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｕｎｋｎｏｗｎ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｏｎａｒｓ；ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｍａｚｅ ｍａｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａ＋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｇｉｖｅ ｔｈｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ
华中科技大学硕士学位论文 ＝：＝：：：：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝；＝；＝＝＝；＝一
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｂｒａｎｃｈ ｏｆ ｒｏｂｏｔｉｃｓ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ
ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｓ ａｌｓｏ ｏｎｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ．
本文主要研究的是使用移动机器人本体的１６个同质传感器来进行机器人的避障 与路径规划。移动机器人在实际应用中首先遇到的就是机器人本身的定位问题，确 保机器人的初始位姿的准确性是完成任务的前提。本论文使用定位的方法之一是路 标法。移动机器人的基本运动控制一般有两种，直线运动和圆弧运动，通过这两种 典型分解运动的特性就能比较准确的对机器人进行控制。其次，本文将移动机器人 的避障运动分解成两种基本的动作：避开前方和侧面的障碍物，并对这两种动作做 了深入的分析。另外，本文分析了基于声纳的未知环境特征提取方法和安全避障距 离选取的原则：给出了基于势场法的移动机器人避障策略：阐述了Ａ４算法在机器人 迷宫地图最优路径规划实现中的应用。
华中科技大学硕士学位论文
人的序幕，如ＤＡＲＰＡ的“战略计算机”计划中的自主地面车辆（ＡＬＶ）计划（１９８３ —１９９０），能源部制订的为期１０年的机器人和智能系统计划（ＲＩＰＳ）（１９８６－－１９９５）， 以及后来的空间机器人计划；日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划等…。
美国航空暨太空总署（ＮＡＳＡ）研制的火星探测机器人索杰那于１９９７年登上火星， 这一事件向全世界进行了报道。德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车 站的客流高峰期的环境和１９９８年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实 地现场表演。该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有大量乘客的环境中，进行了超过 ３６个小时的考验，所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人或移动机器人所不可比 的【５ｌ。不久以前美国的另外两个火星探测机器人：精神号（Ｓｐｉｒｉｔ）与机会号 （Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ），已经分别在２００４年１月３日及２４日登陆火星，引起了全世界的广泛 关注。
②国内移动机器人研究概况 国内在移动机器人的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主 要的研究工作有：清华大学智能移动机器人于１９９４年通过鉴定。涉及到五个方面的 关键技术【６】：基于地图的全局路径规划技术研究（准结构道路网环境下的全局路径规 划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划）；基
２－Ｄｘｅ ｒｏｂｏｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍａｄｅ ｂｙ ＡｃｔｉｖＭｅｄｉａ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ｃｏｍｐａｎｙ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｒｅ ａｓ
ｆｏｌｌｏｗｓ：
Ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｍａｋｅｓ ａ ｓｕｍｍａｒｉｚｅ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｆｏｒｅｉｇｎ ａｎｄ ｄｏｍｅｓｔｉｃ．Ｓｅｖｅｒａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｓｕｃｈ ａｓ
本文另外一个成果是构建了一个基于ＶＣ的移动机器人通信平台，给出了通信 平台的数据包协议格式和具体实现。
本文利用Ｐｉｏｎｅｅｒ ＩＩ移动机器人对上述算法和策略进行了实验。实验结果和分析 证明了使用的原理和算法的有效性和正确性。
论文结尾对全文进行了总结并对移动机器人避障与路径规划研究进行了展望。
关键词：移动机器人，路径规划，避障，数据融合，声纳，Ａ‘算法
ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｖｅｒａｃｉｏｕｓ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｔｏ ｆｉｎｉｓｈ ｔｈｅ ｔａｓｋ．
Ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｕｓｅ ｒｏａｄ ｍａｒｋ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｈａｖｅ ｔｗｏ ｔｙｐｉｃａｌ
ｍｏｖｅｍｅｎｔ：ｌｉｎｅ ａｎｄ ｃｉｒｃｌｅ．Ｗｅ Ｃａｎ ｕｓｅ ｔｈｉｓ ｔＷＯ ｔｙｐｉｃａｌ ｍｏｖｅｍｅｎｔ’ｓ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｂｏｔ．Ｎｅｘｔ，ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｄｅｃｏｍｐｏｓｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｓ ｔｗｏ ｂａｓｉｃ ａｃｔｉｏｎｓ：ａｖｏｉｄｉｎｇ ｆｒｏｎｔ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ａｎｄ ａｖｏｉｄｉｎｇ ｓｉｄｅ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ．Ｉｎ—ｄｅｐｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｔｈｅ ｔｗｏ
ｓｔｒａｔｅｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ．
Ｍｏｖｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ ａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＶＣ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ
ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒｍａｔ ｏｆ ｄａｔａ ｐａｃｋａｇｅ ａｒｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ．
分：
①国外移动机器人的发展概况 美国国家科学委员会曾预言：“２０世纪的核心武器是坦克，２１世纪的核心武器 是无人作战系统，其中２０００年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队，并走向 战场”ａ为此，从８０年代开始，美国国防高级研究计划局（ＤＡＲＰＡ）专门立项，制 定了地面无人作战平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔＯ ｓｏｎｉｃ ｅｘｔｅｎｔ．Ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ’Ｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍａｋｅｓ ａ ｄｅｅｐ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｓｔｕｄｙ ｏｆ
ｍｕｌｔｉ—ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ’ｓ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｉｏｎｅｅｒ
华中科技大学 硕士学位论文 移动机器人避障与路径规划研究 姓名：吴涛 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：黄心汉
20040511
华中科技大学硕士学位论文
摘要
移动机器人研究是机器人学中的一个重要分支。移动机器人避障与路径规划又 是机器人研究的一个重要方向。目前，随着机器人技术的不断进步，机器人学科越 来越具有强大的生命力，它在某种程度上已经代表当今信息技术、自动化技术、系 统集成等技术的最新发展。本文以美国ＡｃｔｉｖＭｅｄｉａ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ公司生产的Ｐｉｏｎｅｅｒ ２－Ｄｘｅ型机器人为研究对象，从多个方面对移动机器人的避障与路径规划进行了深入 的系统研究，其主要的内容和成果如下：
爨密国，京
本论文满于
不镁密峦《
…每簿寮嚣适臻零援蔽书。
（请在以上方糨内打“√”）
……躲未：懿
日期：扣口毕年ｒ月ｌｌ皑
搔警毅爨签壤ｙ努ｐ
日期：√一础雌，熙ｓ／日
华中科技大学硕士学位论文
１ 绪论
１ １ 引言
１．１．１ 移动机器人的历史与现状 机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的
Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｉＳ ｈｏｗ ｔｏ ｕｓｅ ｓｉｘｔｅｅｎ ｓｏｎａｒ ｓｅｎｓｏｒｓ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ
ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ．Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｅ ｓｈｏｕｌｄ ｓｏｌｖｅ ｉｓ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ
㈨姗鼢焉奇
日期；和｛》毕年≯月；ｉ同
学位论文版权使用授权书
本攀馕论文｛棠者完垒了解学校毒关傺窿、使熙学槛论文鲍嫂定，群。学搜糍 蔽谦瞽势浇营象离关部门藏辊构送交论文船复邸件和电予版，允许论文被查阅和
措阕。本人授援媾中辩控大学霹戳游本掌往论文鳃全部藏躲分农容鬃天寮关鼗器 簿进行梭潦，可戳采用影印、缩印或扫描等复制乎段保襻和汇编本学位论文。
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ
一个重要分支。早在６０年代，就已经开始了关于移动机器人的研究。关于移动机器 人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的， 对于水下机器人，则是推进式【ｌ】。斯坦福研究院（ＳＲＩ）的Ｎｉｌｓ Ｎｉｌｓｓｅｎ和Ｃｈａｒｌｅｓ Ｒｏｓｅｎ 等人，在１９６６年至１９７２年中研造出了取名Ｓｈａｋｅｙ的自主移动机器人。目的是研究 应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制‘２１。与此同时， 最早的步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机 器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。其中最著名是 名为Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｑｕａｄｒｕｐｅｄ的步行机器人ｆ３】。７０年代末，随着计算机的应用和传 感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在８０年代中期，设计和 制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台， 这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进 了移动机器人学多种研究方向的出现。９０年代以来，以研制高水平的环境信息传感 器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标 志，开展了移动机器人更高层次的研究【４１。移动机器人研究发展状况以国内和国外来
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ，ｇｒｉｄ ｍｅｔｈｏｄ，ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｏｂｉｌｅ
ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．
Ａ＋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
ＩＩＩ
独创性声蹒
本人声明所慝交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的
磷变袋暴；瑟我艇辩，豫文孛墨疑蠢鬻霉ｌ嚣翦蠹骞磬，率论文季龟含经舞箕憩令 人或集体已经艘寝或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贯献的个人和集体，
薅已在囊孛鞋襞凑方式拣凑。零天宠垒蠢瑷豸奉声餮翡滚簿绣慕蔽奉天承瞧。
Ｗｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｚｅ ｗｉｔｈ Ｐｉｏｎｅｅｒ ＩＩ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ’Ｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｂｏｖｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｎｄ
ｉｓ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ．
Fra Baidu bibliotek
ＩＩ
华中科技大学硕士学位论文
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｐａｔｈ
ｐｌａｎｎｉｎｇ。
ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ，ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ，ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ，ｄａｔａ ｆｕｓｉｏｎ，ｓｏｎａｒ，
ａｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ．Ａｎｏｔｈｅｒ，ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓａｆｅ ａｖｏｉｄｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｕｎｋｎｏｗｎ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｏｎａｒｓ；ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｍａｚｅ ｍａｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａ＋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｇｉｖｅ ｔｈｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ
华中科技大学硕士学位论文 ＝：＝：：：：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝；＝；＝＝＝；＝一
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｂｒａｎｃｈ ｏｆ ｒｏｂｏｔｉｃｓ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ
ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｓ ａｌｓｏ ｏｎｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ．