1、0毕业设计（论文）设计(论文)题目 Amigo 机器人路径规划研究与实现1目 录摘 要 .1ABSTRACT .1一、 绪论 .3（一）引言 .3（二）研究本课题的背景和意义 .3（三）课题研究现状和发展趋势 .4（四）本论文阐述内容及论文的大体结构 .4二、移动机器人模型介绍 .5（一） 先锋 3 系列机器人平台介绍 .51. Amigo 机器人硬件系统 .52. Amigo 机器人软件系统 .6（二）先锋 3 系列机器人工作原理 .61. Amigo 机器人的 C-S 关系 .62. Amigo 机器人的通讯 .73 Amigo 机器人的任务周期 .
2、8（三）移动机器人的坐标系 .9三、 基于栅格法的路径规划研究 .11（一）常用路径规划算法 .111. 基于几何构造的路径规划方法 .112 基于模糊逻辑的路径规划 方法 .1123 基于神经网络的路径规划方法 .114 基于人工势场的路径规划方法 .12（二）栅格法简介 .12（三）栅格模型设计 .131栅格地图设计 .132栅格之间可行性和优先性的确定 .143路径选择概率 .14（三）算法描述 .141 算法思想 .142算法流程 .15四、仿真实验及结论 .17（一）算法性能分析 .17（二） 实验仿真验证 .17（三）结论 .18五、
3、总结于展望 .19（一）总结 .19（二）展望 .19参考文献 .200摘 要路径规划问题是移动机器人技术研究的重要问题之一，是关于机器人人工智能问题的一个重要方面，路径规划的任务是在机器人的工作环境中按要求规划出一条最优的可行路径。本文主要阐述机器人在静态已知环境下的路径规划问题。本文综述了移动机器人的国内外研究现状，Amigo 机器人多线程工作原理，无线网络连接方式，探讨了路径规划的算法实现问题，首先对常用算法做简单的介绍，然后详细介绍栅格网络搜索算法，最后通过仿真实验，完成了在没有障碍物和存在多种障碍物的情况下的仿真验证，并对结果进行分析，仿真结果表明，该算法能够成功地在各
4、种复杂程度不同的环境里规划出一条近似最优的路径，证明了算法的有效性。关键词：移动机器人，路径规划，栅格搜索法1ABSTRACTPath planning is an important problem in mobile robot research，it is also an important aspect of artificial intelligence robot. The path planning task in robot work environment is to plan out an optimal feasible path. This thesis f
5、ocuses on the robot path planning in a static known environment. In the first two chapters, the research status of the mobile robot, Amigo robot works principle in multi-threading, and the wireless network mode are introduced respectively. Various path planning algorithms are analyzed in Chapter 3.
6、First a brief introduction of the path planning algorithms is given and then grid network search algorithm is discussed in detail. Finally, simulation experiments are conducted for the grid search algorithm in circumstances with obstacles and without obstacle. Simulation results show that grid searc
7、h algorithm is able to plan better path rapidly in complex environment only if the path exists and also show the effectiveness of the proposed approach.Key words: Mobile robots, Path planning, Grid search algorithm2一、 绪论（一）引言移动机器人作为一门综合学科, 近年来才发展起来，它代表了机电一体化的最高成就，集中了计算机、电子、自动控制、机械、以及人工智能等多学科最新研究成果。移
8、动机器人集动态决策与规划、环境感知、行为控制与执行等多种功能于一体，它的应用前景广阔，在民用中的物料搬运上以及防核污染、扫雷排险、军事侦察等很多方面都有应用，到目前世界上很多国家都高度重视对移动机器人的研究。如今人们愈来愈多的重视对移动机器人的研究，主要是由于机器人可以帮助人类完成目前人类无法独立完成的工作，尤其在危险、恶劣的环境中甚至于在目前人类不可到达的环境中；同时应用移动机器人还可以降低生产成本, 提高生产力,提高生产效率。移动机器人的应用将会越来越广泛的渗透到国计民生的诸多领域, 随着机器人研究及智能化程度的提高,将会具有更广阔的市场前景。（二）研究本课题的背景和意义随着科学技术的快速
9、发展，像人工智能技术、集成电路技术、传感器技术等学科发展迅速，这使得机器人学这一由多学科交叉而形成的学科也进入一个崭新的发展阶段。社会各界对移动机器人的研究高度重视，移动机器人发展迅速。当今移动机器人技术发展的主要特点表现为:一是只要求机器人在某种程度上具有自主处理问题的能力，而不再不要求机器人具有像人类一样的高智能，对机器人智能定位有了更加符合理性的标准；二是在机器人的研究中采用了许多新技术、新方法，比如虚拟现实、神经网络、高速度的并行处理机、传感器融合等技术，机器人研究重点正在不断地发生转变，不断地取得新的突破。未来机器人将向着高度自动化和智能化的方向发展，在不需要人的参与下完成各种任务，
10、由于机器人工作于自然环境中，必将遇到各种障碍物，为实现目标必不可少的便是壁障和路径规划问题。要求机器人能够实现自主确定便捷和安全的行动路线。移动机器人路径规划是机器人研究领域的一个重要的问题，这被描述为：给出了一个移动机器人的环境（环境的移动机器人视觉系统，或其他方式等） ，一个起始点和一个期望的终止点，移动机器人的路径规划是基于一个特定的任务要求（最短路径，最小能量消耗或使用的时间短等）寻求一条可行路径，能够成功实现目标。 路径规划在移动机器人导航技术中占有极其重要的地位，他是移动机器人智能化程度的重要标志，是移动机器人完成各项任务的安全保障。移动机器人的路径规划算法的深入研究，可以继续提高
11、导航性能和智能水平，并促进了移3动机器人的进一步发展。（三）课题研究现状和发展趋势在 20 世纪 70 年代人们便开始机器人路径规划的研究，目前人们对路径规划问题研究仍然十分活跃。在国家计划的支持下，国内重点大学和研究机构都投入了大量的人力和相关的移动机器人领域一个研究资源。在移动机器人的导航和定位、互动技术的体系结构、信息融合技术、智能化技术等方面的研究取得了大量的成果。随着科学技术的不断发展，移动机器人的路径规划问题研究发展迅速，已经取得了很大进展。但仍旧存在一些问题，在以下方面需要作进一步研究： 1)局部路径规划与全局路径规划的有效结合；2)多传感器信息融合的引入；3) 智能算法引入路径
12、规划；4)基于慎思/反应混合式的路径规划；5)多智能移动机器人的路径规划。（四）本论文阐述内容及论文的大体结构本文主要研究移动机器人在静态已知环境下寻求最优路径问题，采用的机器人为先锋系列的 Amigo 作为研究对象。首先讲述了国内外对于移动机器人的研究，以及以后移动机器人的发展趋势，分析了路径规划在移动机器人研究中的重要地位，以及世界各国对于此的研究现状，在此基础上，提出本论文所提基于栅格搜索法的移动机器人路径规划算法，即本课题研究的背景和意义。然后介绍了本研究所涉及的一些基础知识，主要包括本文所采用的 Amigo机器人的软硬件特性，软件开发平台的使用，以及 Amigo 机器人的工作原理。最
13、后介绍了路径规划常用算法，详细介绍了栅格搜索法路径规划问题，并借助仿真软件进行仿真。对仿真结果作进行分析。本论文各章节内容如下：第一章为文章综述，讲述了移动机器人的国内外研究现状，论文选题的背景与意义，以及本论文的结构。第二章为基础部分，主要围绕着 Amigo 机器人展开叙述，讲述了机器人软硬件特性，和计算机建立连接方法以及多线程工作原理。第三章讲述了路径规划的算法实现问题，首先对常用算法做简单的介绍，然后详细介绍栅格网络搜索算法。第四章为实验验证，主要为仿真实验，完成了在没有障碍物和存在多种障碍物的情况下的仿真验证，并对结果进行分析，得出结论。第五章对本论文作总结，对算法的优缺点进行分析，提
14、出进一步完善的内容。4二、移动机器人模型介绍（一） 先锋 3 系列机器人平台介绍先锋 3 系列机器人是 Mobile Robots 生产的自主式室内移动机器人。先锋 3系列机器人比大多数机器人小，如图 2-1，但是在它的内部高度集成了智能移动机器人技术，而它的能力完全可以与那些体积笨重价格昂贵的设备相匹敌。图 2-1 先锋 3 系列机器人 Amigo 外形及物理尺寸1. Amigo 机器人硬件系统Amigo 机器人体积较小，灵活方便，功能强大，为广大学校用于研究开发。其长为 33cm，宽为 28cm，高为 13cm，重为 3.6Kg，可载重 30kg，最大平移速度 750mm/sec，最大旋转
15、速度 300deg/sec。它提供了内嵌 SH2 微控制器，负责底层数据处理和命令执行，如获取传感器信息，小车位置信息等等，具有更快捷的处理速度和更强大的扩展能力。Amigo 机器人具有一个万向轮和两个驱动轮，其中万向轮仅仅起到支撑作用，而驱动功能和导向作用则由驱动轮来完成。每个驱动轮配有一个电机，每台电机配备高分辨率光学编码器，可以准确定位，速度测量，以及更先进的计算。ARCOS 驱动服务器使用一个普通的比例微分积分（PID）控制系统来调节电机驱动器的 PWM 脉冲宽度以平滑电机的运动。电机运行周期为 50 微秒（20KHZ） ；脉冲宽度由 0-500 表示 0-100的占空比周期。ARCO
16、S 驱动服务器每 5 毫秒便会根据车轮编码器的反馈再次计算并且调整机器人的运动轨迹。此外该机器人还配备有 8 个声呐测距装置，其分布如图 2-2 所示，在前方不均匀的分布着 6 个声呐装置，用于检测前方、左前方、左方、右前方、右方的障碍物，在后方有两个声呐装置用于检测后方的障碍区。Amigo 机器人的声呐测量距离的范围为 10cm（6 英寸）至 5m，这决定于测量速度。5图 2-2 Amigo 声呐分布2. Amigo 机器人软件系统机器人控制器软件系统包括 ARIA 和 ARNL，机器人客户端软件系统包括MobileSim、MobileEyes、Mapper3 等等。Aria 软件功能强大，
17、使用方便，简单，因而具有更强的适应性，可用于先锋系列机器人的运动控制。Aria 基于 C+编程语言，为面向对象的，是高端软件编写的理想选择，Aria 由 Mobile Robots 开发，作为应用程序接口（API） ，非常方便 Amigo 机器人应用程序的开发与研究。ARNL 软件开发包主要是用于Mobile Robots 机器人平台定位及自主导航。移动机器人的仿真软件种类较多，各有优缺点，Amigo 机器人使用的是操作简单的 MobileSim 仿真软件。MobileSim 工作界面简单，容易上手。我们在进行机器人仿真之前首先应打开 MobileSim 仿真软件，这样才能和机器人建立连接，由
18、于 MobileSim 主要加载工作环境地图和机器人，并实时显示机器人的运动轨迹，因此应先绘制地图。借助 Mapper3 绘图软件，可以方便地绘制机器人的工作环境地图，需要注意的是，为方便实物仿真，我们在绘制机器人的真实工作环境时，必须做到准确无误，否则实验结果就会出现偏差。MobileEyes是更为高级的仿真软件，主要应用于机器人的导航与定位，本文关于移动机器人的路径规划就用到了上述软件，特别是 MobileEyes 仿真软件。（二）先锋 3 系列机器人工作原理1. Amigo 机器人的 C-S 关系机器人本体上包括所有的传感器、执行器、电源等附属设备及 SH2 单片机构成下位机，一般我们使
19、用的 PC 作为上位机。上 /下位机构成 Client/Server 结构。如图 2-3 所示。6图 2-3 Amigo 机器人 C-S 结构下位机负责执行底层任务，包括机器人运动指令，获取传感器信息，计算各种位置信息，驱动附件设备以及处理上位机发出的控制指令等等，上位机即主机主要执行应用层次的任务，包括障碍物的检测与避障，传感器耦合，定位、导航等等。当上位机和下位机建立连接之后，上位机可以仿真一个网络上的机器人服务器，或者直接利用获得的信息控制机器人。2. Amigo 机器人的通讯Amigo 机器人与计算机系统连接方式主要有三种（如图 2-4）：一是通过串行口建立连接，该方法连接简单，只需要
20、一条串口连接线，即可实现机器人与计算机系统连接，但受到串口线的限制，计算机对机器人控制不方便；二是通过无线网络建立连接，机器人和计算机之间需要借助无线路由器建立连接，进而可实现对机器人的远程控制，该方法应用较多；第三，车载计算机系统，机器人配备了一个嵌入式计算机主板，主板上有一个传统的键盘，鼠标，显示器接口，0/100M 自适应网卡，4 个 COM 口，2 个 USB 口，PC104/PC104+扩展总线等设备。图 2-4 Amigo 机器人连接方式Aria 帮助用户实现上位机的应用程序与下位机 Firmware 的通讯以及应用程序与下位机 Firmware 的通讯，其中也包含了对下位机附件设备的通讯和管理。ArRobot 类是 Aria 的核心，管理着 Client 与 Server 的通讯周期、读取机器人平台的运行状态信息、触发通讯周期内的特定任务等工作内容。
