课程论文移动机器人路径规划的技术研究--学位论文.doc

研究生课程考核试卷
（适用于课程论文、提交报告）

科 目： 机器人技术 教 师： 杜静
姓 名： 聂 杨 学 号： 20150713129
专 业： 机械工程 类 别： （专业）
上课时间： 2015 年 11 月至20 16 年 1 月
考 生 成 绩：
卷面成绩
平时成绩
课程综合成绩

阅卷评语：

阅卷教师 (签名)
重庆大学研究生院制

目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 概述 1
1.1引言 1
1.2机器人在国外的发展现状 1
1.3机器人在国内的发展现状 2
第二章 机器人的应用 4
2.1工业机器人 5
2.2服务机器人 8
第三章 机器人的核心关键技术 9
3.1工业机器人灵巧操作技术 9
3.2工业机器人自主导航技术 9
3.3工业机器人环境感知与传感技术 10
3.4工业机器人的人机交互技术 10
3.5基于实时和高速通信总线的机器人开放控制系统 10
第四章 移动机器人的路径规划 12
第五章 基于遗传算法的移动机器人全局路径规划 13
5.1遗传算法的基本描述 13
5.2一种改进编码机制在机器人路径规划中的应用 14
5.3仿真实验 18
结 论 19
参考文献 20

移动机器人路径规划的技术研究

摘要
本文扼要地介绍了机器人技术的发展现状，以及世界各国智能机器人的发展水平，然后介绍了智能机器人的分类，从几个典型的方面介绍了智能机器人在各行各业的广泛应用，讨论了智能机器人的发展趋势以及对未来技术的展望，最后以移动机器人为研究对象，针对它的路径规划及轨迹跟踪问题，利用遗传算法进行了相关的研究。

关键词：移动机器人，现状，路径规划，遗传算法，轨迹跟踪

Abstract
This paper briefly introduces the development of robot technology, as well as the development of intelligent robots around the world, and then introduces the intelligent robot classification, from several typical aspects of intelligent robots in all walks of life are widely used, discussed the development trend of intelligent robots and the prospects for future technology, and finally to mobile robots for the path planning and trajectory tracking problems, the use of genetic algorithms for the relevant research.
Keywords：Mobile robot， current situation，path planning，genetic algorithm，trajectory tracking

II

第一章 概述

1.1引言
机器人技术是现代计算机和远程网络控制技术的集合体，其能够体现现代各类先进的科学技术，在经济发展的过程中，各类机器人对各行各业均有着极大的促进作用。其能够完成人类所无法完成的各种高危险性、高精密性以及高工作量的生产，极大程度地解放了人类的劳动力，提高了人类的劳动效率，同时也提升了人类的科学技术发展的速度，为各国以及各地区的经济发展做出了极大的贡献。
机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机，或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。智能机器人则是一个在感知， 思维，效应方面全面模拟人的机器系统，外形不一定像人。它是人工智能技术的综合试验场，可以全面地考察人工智能各个领域的技术，研究它们相互之间的关系。还可以在有害环境中代替人从事危险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手。一部智能机器人应该具备三方面的能力：感知环境的能力、执行某种任务而对环境施加影响的能力和把感知与行动联系起来的能力。智能机器人与工业机器人的根本区别在于，智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。 
随着智能机器人的应用领域的扩大，人们期望智能机器人在更多领域为人类服务，代替人类完成更复杂的工作。然而，智能机器人所处的环境往往是未知的、很难预测。智能机器人所要完成的工作任务也越来越复杂；对智能机器人行为进行人工分析、设计也变得越来越困难。目前，国内外对智能机器人的研究不断深入。

1.2机器人在国外的发展现状
机器人一般因其用途的不同被分为工业机器人和服务机器人两大类，其中工业机器人主要指的就是在工业生产、农业生产过程中在流水线上进行制造工作的各类机器人；而服务机器人则指的是在日常生活中能够为人们提供相应医疗、卫生、通讯以及产品介绍等方面服务的机器人。在国外机器人的研发过程中，其早期以工业机器人为主，而在现代则以服务型机器人为主。根据相关研究调查显示，日本地区在1994年至1999年期间，其工业机器人的研发和制造数量较之以往增加了1倍，但是在2008年之后，这种增长势头有所缓解，而到了2012年工业机器人的生产数量则被服务机器人所超过。另外根据统计显示，日本地区所装备
20

机器人数量在20世纪末是全球机器人数量的50%以上，而到了21世纪则发生了较大的降低，这也就说明了世界各国都在不断提高对机器人技术的重视度。截至2012年，北美地区所拥有的机器人数量大幅度提升，并且占据了亚洲机器人出口数量的40%以上，使得日本机器人的亚洲霸主地位受到了一定的影响。另外，根据2013年的相关调查显示，世界各国2013年机器人年出口总量超过了25万台，其中大部分是服务机器人，而医疗服务机器人所占的比例大约在45%左右，而这也是现代医疗技术发展加快的显示。同时，随着人们对于生活质量要求的不断提高，各种家居服务机器人也出现在了人们的视野中，其中主要包括真空吸尘机器人、除草机器人以及室内清洁机器人等，这种机器人的价格相对较低，在未来的发展中拥有着很大的市场，因此国外的相关企业在近几年也将发展的重心向服务机器人转移。
随着各国经济结构的不断变化，各行各业的销售重心都在发生着巨大的转变，机器人技术的研发企业也不例外。在早期机器人技术的研发方向上，其主要是以工业机器人为主，利用其提高工业生产的效率，为企业获得更大的收益。而现代的机器人研发重心则转移到了服务机器人上，因为这类机器人的价格相对较低，能够被更多的人群所购买，另外由于现代人消费观念的转变，使得其对于居家生活质量的要求越来越高，对于服务型机器人的需求量也就不断增大。
传统的机器人大多数结构材料选择的均是坚实耐用的金属类材料，其主要原因是为了能够保证工业机器人在工作过程中的稳定性和持久性。而随着现代材料科技技术的发展，大部分机器人的结构材料均转换为了重量较轻、质量较高、性能较好的合成材料，这类材料不仅重量轻便，减少了机器人在工作过程中所承受的负荷，并且质量相对于传统的金属要高，进一步增加了机器人的使用寿命。另外这类材料的抗磨损性和抗老化性能也极好，能够保证机器人在工作过程中的稳定性，避免其结构出现损伤，减低维修费用。
相对于传统的机器人技术，国外现代的机器人技术得到了极大程度的提高，不论是在处理器、远程控制系统、移动设备、信息采集系统、自动设备系统等方面都有了显著的提升。加上现代智能手机技术的不断提高，很多国外机器人的操控技术都可以通过手机来完成，其中主要就是服务型机器人的控制系统，这样就使得机器人技术离普通人的生活越来越近，进一步增加了机器人的受众群体。

1.3机器人在国内的发展现状
我国作为发展中国家，相关科技技术的发展较之发达国家相对落后，其中也包括机器人技术。我国的机器人技术是从上个世纪80年代中期开始兴起的，当时受到了国际机器人技术研发热潮的影响，极大程度上推动了我国的机器人技术发展，并且建立我具有我国自主研发技术的科研基地。目前，我国的水下服务机器人技术已经走到了世界的先进水平，2012年时我国的海龙号深海探测器成功下潜到海底超过5000米的距离，一举将我国的水下科研机器人技术提高了一大截。另外，我国对于各类远程控制机器人的研究也比较深入，例如远程排爆机器人、高层建筑墙体清洁机器人以及远程控制无人机等，其中我国的无人机技术已经达到了国际先进水平，并2014年在亚洲代替了美国，成为亚洲地区无人机出口第一大国。同时，我国的农业机器人、工业机器人技术的发展速度也比较快，其中包括机器人抓取结构技术、识别系统技术以及触觉传感系统技术等都在国际上取得了较大的提高，政府更是进一步加强了对于机器人技术的研发投资，扩展了我国机器人技术研发基地的数量，被对相关人才的培养提供了优越的环境和便利的条件，在未来的发展过程中，我国的自主机器人技术必然能够达到世界超一流水平。
随着现代技术的发展，国际上的机器人技术得到了根本性的提升，而我国作为世界最大的经济市场之一，相关技术必然会流入我国市场，而这在为我国机器人技术提出挑战的同时，也为我国自主机器人技术提供了一定的机遇。在这种机器人技术高速发展的势头之下，市场中对于机器人的需求量必然会进一步增加。同时，由于现代市场经济竞争日趋激烈，各企业都在想方设法提高自身的工作效率，并同时提高员工的利用率，降低生产成本，其对于机器人的需求量就会大大增加。这样就给我国的机器人技术发展提供了良好的环境。另外，由于现代科学研究的逐渐深入，对于一些人力所无法探索的领域（例如深海、峡谷、隧道以及人体内等）均有了一定的研究，并期望能够更加深入的研究，而这也就为相关机器人技术的发展提供了一定的动力。
我国在发展机器人技术的过程中，一定要借鉴国外先进的经验和技术，同时还要不断进行创新，打造拥有中国特色的机器人技术。

第二章 机器人的应用
现代智能机器人基本能按人的指令完成各种比较复杂的工作，如深海探测、作战、侦察、搜集情报、抢险、服务等工作，模拟完成人类不能或不愿完成的任务，不仅能自主完成工作,而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务，在不同领域有着广泛的应用。 
 智能机器人按照工作场所的不同，可以分为管道、水下、空中、地面机器人等。管道机器人可以用来检测管道使用过程中的破裂、腐蚀和焊缝质量情况，在恶劣环境下承担管道的清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护工作,对地下管道进行修复；水下机器人可以用于进行海洋科学研究、海上石油开发、海底矿藏勘探、海底打捞救生等；空中机器人可以用于通信、气象、灾害监测、农业、地质、交通、广播电视等方面；服务机器人半自主或全自主工作、为人类提供服务，其中医用机器人具有良好的应用前景；仿人机器人的形状与人类似，具有移动功能、操作功能、感知功能、记忆和自治能力，能够实现人机交互；微型机器人以纳米技术为基础在生物工程、医学工程、微型机电系统、光学、超精密加工及测量(如:扫描隧道显微镜) 等方面具有广阔的应用前景。 
在国防领域中，军用智能机器人得到前所未有的重视和发展，近年来,美英等国研制出第二代军用智能机器人，其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅等能力,能够自动跟踪地形和选择道路，具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的Navplab自主导航车,SSV自主地面战车等。在未来的军事智能机器人中，还会有智能战斗机器人、智能侦察机器人、智能警戒机器人、智能工兵机器人、智能运输机器人等等，成为国防装备中新的亮点。 
在服务工作方面，世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研究开发和广泛应用服务智能机器人，以清洁机器人为例，随着科学技术的进步和社会的发展，人们希望更多地从繁琐的日常事务中解脱出来，这就使得清洁机器人进入家庭成为可能。日本公司研制的地面清扫机器人，可沿墙壁从任何一个位置自动启动，利用不断旋转的刷子将废弃物扫入自带容器中；车站地面擦洗机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸入所带的容器中；工厂的自动清扫机器人可用于各种工厂的清扫工作。美国的一款清洁机器人“Roomba”具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成清扫工作。瑞典的一款机器人“三叶虫”，表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。 
甚至在体育比赛方面，也得到了很大的发展，近年来在国际上迅速开展起来足球机器人与机器人足球高技术对抗活动，国际上已成立相关的联合会FIRA，许多地区也成立了地区协会，已达到比较正规的程度且有相当的规模和水平。机器人足球赛目的是将足球(高尔夫球) 撞入对方球门取胜。球场上空(2m ) 高悬挂的摄像机将比赛情况传入计算机内，由预装的软件作出恰当的决策与对策，通过无线通讯方式将指挥命令传给机器人。机器人协同作战， 双方对抗，形成一场激烈的足球比赛。在比赛过程中, 机器人可以随时更新它的位置每当它穿过地面线截面，双方的教练员与系统开发人员不得进行干预。机器人足球融计算机视觉、模式识别、决策对策、无线数字通讯、自动控制与最优控制、智能体设计与电力传动等技术于一体，是一个典型的智能机器人系统。 
现代智能机器人不仅在上述方面有广泛应用，而将渗透到生活的各个方面，像在煤炭工业在矿业方面，考虑到社会上对煤炭需求量日益增长的趋势和煤炭开采的恶劣环境，将智能机器人应用于矿业势在必行。在建筑方面，有高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、擦玻璃机器人、地面抛光机器人等。在核工业方面，主要研究机构灵巧、动作准确可靠、反应快、重量轻的机器人等等。智能机器人的应用领域的日益扩大，人们期望智能机器人能在更多的领域为人类服务，代替人类完成更多更复杂的工作。  
从机器人的用途来分，可以分为两大类：军用机器人和民用机器人。 军用机器人主要用于军事上代替或辅助军队进行作战、侦察、探险等工作。根据不同的作战空间可分为地面军用机器人、空中军用机器人(即无人飞行机)、水下军用机器人和空间军用机器人等。军用机器人的控制方式一般有自主操控式、半自主操控式、遥控式等多种方式。      
在民用机器人中，各种生产制造领域中的工业机器人在数量上占绝对多数，成为机器人家族中的主力军；其它各种种类的机器人也开始在不同的领域得到研究开发和应用。总体看来，若按用途分，民用机器人可以分为以下几个主要类别：

2.1工业机器人
工业机器人是机器人的一种，它由操作机．控制器．伺服驱动系统和检测传感器装置构成，是一种仿人操作自动控制，可重复编程，能在三难空间完成各种作业的机电一体化的自动化生产设备，特别适合于多品种，变批量柔性生产。它对稳定和提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件的快速更新换代起着十分重要作用。 
制造工业部门应用机器人的主要目的在于削减人员编制和提高产品质量。机器人无论是否与其它机器一起运用，与传统的机器相比，它具有两个主要优点：1、生产过程的几乎完全自动化。 2、生产设备的高度适应能力。 
现在工业机器人主要用于汽车工业、机电工业（包括电讯工业）、通用机械工业、建筑业、金属加工、铸造以及其它重型工业和轻工业部门。  
 机器人的工业应用分为四个方面，即材料加工、零件制造、产品检验和装配。其中，材料加工往往是最简单的。零件制造包括锻造、点焊、捣碎和铸造等。检验包括显式检验（在加工过程中或加工后检验产品表面图像和几何形状、零件和尺寸的完整性）和隐式检验（在加工中检验零件质量上或表面上的完整性）两种。装配是最复杂的应用领域，因为它可能包含材料加工、在线检验、零件供给、配套、剂压和紧固等工序。在农业方面，已把机器人用于水果和蔬菜嫁接、收获、检验与分类，剪羊毛和挤牛奶等。这是一个潜在的产业机器人应用领域。 工业机器人带来的效益 
  广泛的应用工业机器人，可以逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代。提高生产效率和保证产品质量，消除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存，提高企业竞争力。 工业机器人的发展 
 随着科技的不断进步，工业机器人的发展过程可分为三代，第—代，为示教再现型机器人，它主要由机器手控制器和示教盒组成，可按预先引导动作记录下信息重复再现执行，当前工业中应用最多。第二代为感觉型机器人，如有力觉触觉和视觉等，它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力，目前已进入应用阶段。第三代为智能型机器人它具有感知和理解外部环境的能力，在工作环境改变的情况下，也能够成功地完成任务，它尚处于实验研究阶段 国外工业机器人的的发展 。
美国是机器人的诞生地，早在1961年，美国的Consolided Control Corp和AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。经过40多年的发展，美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。
日本在1967年从美国引进第一台机器人，1976年以后，随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加，日本当时劳动力显著不足，工业机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎，使其日本工业机器人得到快速发展，现在无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一，素有“机器人王国”之称。德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五六年，但战争所导致的劳动力短缺，国民的技术水平较高等社会环境，却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。此外，在德国规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。目前，德国工业机器人的总数占世界第二位，仅次于日本。 
  法国政府一直比较重视机器人技术，通过大力支持一系列研究计划，建立了一个完整的科学技术体系，使法国机器人的发展比较顺利。在政府组织的项目中，特别注重机器人基础技术方面的研究，把重点放在开展机器人的应用研究上。而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界得以迅速发展和普及，从而使法国在国际工业机器人界拥有不可或缺的一席之地。 
英国纪70年代末开始，推行并实施了一系措施列支持机器人发展的政策，使英国工业机器人起步比当今的机器人大国日本还要早，并曾经取得了早期的辉煌。然而，这时候政府对工业机器人实行了限制发展的错误。这个错误导致英国的机器人工业一蹶不振，在西欧几乎处于末位。近些年，意大利、瑞典、西班牙、芬兰、丹麦等国家由于自身国内机器人市场的大量需求，发展速度非常迅速。目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、 FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COPU及奥地利的工GM公司。
我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。随着 20世纪70年代世界科技快速发展，工业机器人的应用在世界掀起了一个高潮，在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入20世纪80 年代后，随着改革开放的不断深入，在高技术浪潮的冲击下，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持，“七五”期间，国家投入资金，对工定机器人及零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷漆，点焊，弧焊和搬运机器人。，国家高技术研究发展计划开始实施，经过几年研究，取得了一大批科研成果。成功地研制出了一批特种机器人。 
从20世纪90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步，先后研制了点焊，弧焊，装配，喷漆，切割，搬运，码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批工业机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。但是与发达国家相比，我国工业机器人还有很大差距。

2.2 服务机器人
在一些科幻影片、电视片或影碟中，多少具有外形的机器人常被用来协助或代替人去执行人不乐意做或危险和困难的任务。今天在现实生活中能够看到的最接近于人类的机器人可能要算家用机器人了。家用机器人能够清扫地板而不碰到家具。不过它的价格目前还较高，影响到它的推广应用。随着家用机器人造价的大幅度降低，它将获得日益广泛的应用。  
服务机器人尚处于开发及普及的早期阶段，目前国际上对它还没有普遍承认的严格定义，它的定义是由操作型工业机器人引伸而来的。根据国际机器人联合会（IFR）采用的初步定义，所谓服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它完成的是有益于人类健康的服务工作，但不包括那些从事生产的设备。另一种定义把服务机器人看做一种可自由编程的移动装置，它至少有三个运动轴，可以部分地或全自动地完成服务工作。这些服务工作为个人或单位完成的，不指工业生产服务。  
根据这个定义，操作型工业机器人也可以看作是服务机器人，如果它们装备在非制造业的话。服务机器人往往是可以移动的（并非总是移动的）。在某些情况下，服务机器人是由一个移动平台构成，在它上面装有一只或几只手臂，其控制方式与工业机器人手臂的控制方式相同。      研制用来为病人看病、护理病人和协助病残人员康复的机器人能够极大地改善伤残疾病人员的状态，以及改善瘫痪者（包括下肢及四肢瘫痪者）和被截肢者的生活条件。医用机器人已应用于下列几方面：
（1）诊断机器人，即配备有医疗诊断专家系统的机器人  
（2）护理机器人，是一些具有丰富护理经验的机器人护士或护师。     
（3）伤残瘫痪康复机器人，包括假肢、矫形以及遥控等技术。  
（4）家用机器人，机器人已开始进入家庭和办公室，用于代替人从事清扫、洗刷、守卫、煮饭、照料小孩、接待、接电话、打印文件等。酒店售货和餐厅服务机器人、炊事机器人和机器人保姆已不再是一种幻想。      
（5）娱乐机器人，包括文娱歌舞和体育机器人。      
（6）医疗手术机器人近年来有所突破。  
服务机器人还有送信机器人、导游机器人、加油机器人、建筑机器人、农业及林业机器人等。其中，爬壁机器人既可用于清洁，又可用于建筑。  中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。
第三章  机器人的核心关键技术
我国工业机器人尽管在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，特别是在制造工艺与整套装备方面，缺乏高精密、高速与高效的减速机、伺服电动机、控制器等关键部件。建议对关键技术开展攻关，掌握以下核心技术：模块化、可重构的工业机器人新型机构设计，基于实时系统和高速通信总线的高性能开放式控制系统，在高速、负载工作环境下的工业机器人优化设计，高精度工业机器人的运动规划和伺服控制，基于三维虚拟仿真和工业机器人生产线集成技术，复杂环境下机器人动力学控制，工业机器人故障远程诊断与修复技术等。

3.1 工业机器人灵巧操作技术
工业机器人机械臂和机械手在制造业应用中模仿人手的灵巧操作，在感知，高精度高可靠性感知，规划和控制性方面开展关键技术研发，最终达到通过独立关节以及创新机构、传感器，达到人手级别的触觉感知阵列，动力学性能超过人手的高复杂度机械手能够进行整只手的握取，并能做加工厂工人在加工制造环境中的灵活性操作工作。
在工业机器人创新机构和高执行效力驱动器方面，通过改进机械装置和执行机构以提高工业机器人的精度、可重复性、分辨率等各项性能。进而，在与人类共存的环境中，工业机器人驱动器和执行机构的设计、材料的选择，需要考虑工业机器人的驱动安全性。创新机构包括外骨骼、智能假肢，需要高强度的自重/负载比、低排放执行器、人与机械之间自然的交互机构等。采用新材料提高工业机器人的负载与自重比。

3.2 工业机器人自主导航技术
在由静态障碍物、车辆、行人和动物组成的非结构化环境中实现安全的自主导航，对装配生产线上对原材料进行装卸处理的搬运机器人、原材料到成品的高效运输的AGV 工业机器人以及类似于入库存储和调配的后勤操作、采矿和建筑装备的工业机器人均为关键技术，需要进一步进行深入研发技术攻关。
一个典型的应用为无人驾驶汽车的自主导航，通过研发实现在有清晰照明和路标的任意现代化城镇上行驶，并能够展示出其在安全性方面可以与有人驾驶车辆相提并论。自主车辆在一些领域甚至能比人类驾驶做得更好，比如自主导航通过矿区或者建筑区，倒车入库，并排停车以及紧急情况下的减速和停车。

3.3 工业机器人环境感知与传感技术
未来的工业机器人将大大提高工厂的感知系统，以检测机器人及周围设备的任务进展情况，能够及时检测部件和产品组件的生产情况、估算出生产人员的情绪和身体状态，需要攻克高精度的触觉、力觉传感器和图像解析算法，重大的技术挑战包括非侵入式的生物传感器及表达人类行为和情绪的模型。通过高精度传感器构建用于装配任务和跟踪任务进度的物理模型，以减少自动化生产环节中的不确定性。
多品种小批量生产的工业机器人将更加智能，更加灵活，而且将可在非结构化环境中运行，并且这种环境中包含有人类/生产者参与，从而增加了对非结构化环境感知与自主导航的难度，需要攻克的关键技术包括3D 环境感知的自动化，是在非结构环境中也可实现产品批量生产，适应机器人在加工车间中的典型非结构化环境。

3.4 工业机器人的人机交互技术
未来工业机器人的研发中越来越强调新型人机合作的重要性，研究全浸入式图形化环境、三维全息环境建模、真实三维虚拟现实装置以及力、温度、振动等多物理作用效应人机交互装置。为了达到机器人与人类生活行为环境以及人类自身和谐共处的目标，需要解决的关键问题包括：机器人本质安全问题，保障机器人与人、环境间的绝对安全共处；任务环境的自主适应问题，自主适应个体差异、任务及生产环境；多样化作业工具的操作问题，灵活使用各种执行器完成复杂操作；人-机高效协同问题，准确理解人的需求并主动协助。
在生产环境中，注重人类与机器人之间交互的安全性。根据终端用户的需求设计工业机器人系统以及相关产品和任务，将保证人机交互的自然，不仅是安全的而且效益更高。人和机器人的交互操作设计包括自然语言、手势、视觉和触觉技术等，也是未来机器人发展需要考虑的问题。工业机器人必须容易示教，而且人类易于学习如何操作。机器人系统应设立学习辅助功能用以实现机器人的使用、维护、学习、和错误诊断/故障恢复等。

3.5 基于实时和高速通信总线的机器人开放控制系统
基于实时操作系统和高速总线的工业机器人开放式控制系统，采用基于模块化结构的机器人的分布式软件结构设计，实现机器人系统不同功能之间无缝联接，通过合理划分机器人模块，降低机器人系统集成难度，提高机器人控制系统软件体系实时性；攻克现有机器人开源软件与机器人操作系统兼容性、工业机器人模块化软硬件设计与接口规范及集成平台的软件评估与测试方法、工业机器人控制系统硬件和软件开放性等关键技术；综合考虑总线实时性要求，攻克工业机器人伺服通信总线，针对不同应用和不同性能的工业机器人对总线的要求，攻克总线通信协议、支持总线通信的分布式控制系统体系结构，支持典型多轴工业机器人控制系统及与工厂自动化设备的快速集成。

第四章 移动机器人的路径规划
在移动机器人的相关技术研究中,路径规划技术是一个重要的研究领域。移动机器人的路径规划是指在有障碍物的工作环境中，如何寻找一条从给定起点到终点的适当的运动路径，使机器人在运动过程中能安全、无碰地绕过所有障碍物。移动机器人的路径规划可分为以下三种基于环境模型的全局路径规划、基于传感器信息的局部路径规划和基于行为的路径规划。确定环境下的全局路径规划研究已经取得了丰硕的成果。近年来,学术界的研究热点集中在环境信息完全未知或部分未知的局部路径规划领域以及基于行为的路径规划。
基于模型的全局路径规划，作业环境的信息完全已知，又称静态或离线路径规划。全局路径规划的主要方法有可视图法、自由空间法、栅格法、拓扑法等。
可视图法视移动机器人为一点，将机器人、目标点和多边形障碍物的各顶点进行组合连接，要求机器人和障碍物各顶点之间、目标点和障碍物各顶点之间以及各障碍物顶点与顶点之间的连线,均不能穿越障碍物,即直线是可视的，这就形成一张图,称为可视图。由于任意两直线的顶点都是可见的，从起点沿着这些直线到达目标点的所有路径都是运动物体的无碰路径。从而最优路径搜索问题就转换为在这些直线中搜索从起始点到目标点的最短距离问题。运用优化算法，可以删除一些不必要的连线以简化可视图,缩短搜索时间。可视图法能求得最短路径，但搜索时间长，并且缺乏灵活性，即一旦机器人的起始点和目标点发生改变,就要重新构造可视图，比较麻烦。可视图法适用于多边形障碍物，对于圆形障碍物,该法失效。切线图法和图法对可视图法进行了改进。切线图法用障碍物的切线表示弧，因此是从起始点到目标点的最短路径的图,移动机器人必须几乎接近障碍物行走。其缺点是如果控制过程中产生位置误差，机器人碰撞障碍物的可能性会很高。图法用尽可能远离障碍物和墙壁的路径表示弧。因此,从起始点到目标点的路径将会增长，但采用这种控制方式时，即使产生位置误差，移动机器人也不会碰到障碍物。
自由空间法采用预先定义的如凸多边形和广义锥形等基本形状构造自由空间，并将自由空间表示为拓扑意义上的连通图，通过搜索连通图来进行路径规划。自由空间的构造方法如下从障碍物的一个顶点开始，依次作其它顶点的链接线，删除不必要的链接线，使得链接线与障碍物边界所围成的每一个自由空间都是面积最大的凸多边形。连接各链接线的中点形成的网络图即为机器人可自由运动的路线。该法的优点是比较灵活，起始点和目标点的改变不会造成连通图的重构，其缺点是复杂程度与障碍物的个数成正比，且有时无法获得最短路径。

第五章  基于遗传算法的移动机器人全局路径规划

5.1遗传算法的基本描述
遗传算法是基于自然选择和基因遗传学原理的启发式随机搜索算法，简单遗传算法的基本流程图，如图所示。由图可以看出,遗传算法的运行过程是一个典型的迭代过程,其必须完成的工作内容和基本步骤如下：
（1）选择编码策略，把参数集合和域转换为位串结构空间；
（2）定义适应度函数尤均；
（3）确定遗传策略,包括选择种群大小,选择、交叉、变异方法，以及确定交叉概率、变异概率二等参数；
（4）计算种群中各个体的适应度函数值f(X)；
（5）根据遗传策略,将遗传算子作用于种群，形成下一代种群；
（6）判断是否满足算法结束条件，不满足则返回步骤。
从问题空间到编码空间的映射成为编码,编码一般应满足以下原则：
（1）完备性即问题空间中的所有点可行解都能成为编码空间中的点（染色体位串）的表现型；
（2）健全性编码空间中的染色体位串必须对应问题空间中的某一潜在解；
（3）非冗余性染色体和潜在解必须一一对应。
二进制编码方式是最基础的编码方式，其适用范围非常广泛。二进制编码将问题空间的参数表示为基于字符集{0，1}，构成的染色体位串。而浮点数编码具有精度高、便于大空间搜索等优点，已越来越受到重视。

图1 简单遗传算法基本流程图
为了执行适者生存的原则,遗传算法必须对个体位串的适应度进行评价。适应值是种群中个体生存机会选择的唯一确定性指标，因此，适应度函数的形式直接决定着种群的进化行为。在遗传算法中，适应值规定为非负，并且在任何情况下总是希望越大越好。
标准遗传算法的操作算子一般都包括选择或复制、交叉或重组和变异三种基本形式，它们构成了遗传算法具备强大搜索能力的核心，是模拟自然选择以及遗传操作过程中发生的繁殖、杂交和突变现象的主要载体。
选择就是从当前种群中选择适应值高的个体以生成交配池的过程。目前，主要有适应值比例选择、排序选择、Boltzmann选择、精英选择和稳态选择等形式。
变异操作模拟自然界生物体进化中染色体上某位基因发生突变的现象，从而改变染色体的结构和物理性状。在遗传算法中，变异算子通过按变异概率随机反转某位等位基因的二进制字符值来实现。
交叉算子模仿自然界有性繁殖的基因重组过程,其作用在于将原有的优良基因遗传给下一代个体，并生成包含更复杂基因结构的新个体。一般分以下几个步骤：①从交配池中随机取出要交配的一对个体；②根据位串长度,对要交配的一对个体,随机选择一个或多个交叉位置；③根据交叉概率。实施交叉操作，配对个体在交叉位置处，相互交换各自的部分内容，从而形成一对新个体。常用的交叉方式有一点交叉、两点交叉、多点交叉以及一致均匀交叉等。
在遗传算法的运行过程中，存在着对其性能产生重大影响的一组参数。这组参数在初始阶段或种群进化过程中需要合理地选择和控制，以使遗传算法以最佳的搜索轨迹达到最优解。许多学者进行了大量实验研究，给出了最优参数建议：①位串长度的选择取决于特定问题解的精度。要求的精度越高，位串越长，但需要更多的计算时间。②种群规模大种群含有较多的模式，可以改进搜索的质量。防止成熟前收敛，但是大种群增加了个体适应度函数的计算量，从而降低了算法的收敛速度。一般取n=20--200；③交叉概率。控制着交叉算子的应用频率。交叉概率越高,种群中新结构的引入愈快，已获得的优良基因结构的丢失速度也相应升高而交叉概率太低则可能导致搜索阻滞，一般取=0.60—1.00。④变异操作是保持种群多样性的有效手段。变异概率太小,可能使某些基因位过早丢失的信息无法恢复而变异概率过高,则遗传搜索将变成随机搜索,一般取变异概率=0.005—0.01。

5.2 一种改进编码机制在机器人路径规划中的应用
首先假定：①移动机器人在二维有限空间区域中运动；②机器人的工作空间中分布着有限个已知的凸多边形静态障碍物；③把障碍物边界向外扩展机器人体在长、宽方向上最大尺寸的,机器人可用点来表示,即所谓“点机器人”；④规划空间中存在一系列用于帮助机器人避障的节点，这些节点用标号来标识，如图所示，表给出了各节点的坐标和它们之间所有可能的连接关系。基于以上假设，本文的路径规划问题可描述为在环境信息完全已知的情况下，寻找一条从起始点假定为节点到终止点假定为节点的无碰撞最短路径。

图2 移动机器人的工作空