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室外自主移动机器人导航系统及其 仿真软件的设计与实现 摘要 自主式移动机器人具有高度自规划、自组织和自适应能力，适合于在复杂的 非结构化环境中工作。其目标是在没有人的干预、无需对环境做任何规定和改变 的条件下有目的地移动和完成相应任务。所以，在自主式移动机器人相关技术中， 导航是其中一个重要组成部分，也是移动机器人实现智能化以至完全自主的关键 技术。我国在智能移动机器人研究方面虽然已经取得了一定的成果，但由于起步 较晚，在研究和应用方面都落后于一些西方国家，而且还没有达到完全实用。因 此，进行这项研究，具有一定的理论意义和工程应用意义。 移动机器人导航系统主要内容包括移动机器人的定位和路径规划。为了赋予 机器人智能和自主的能力，本文对移动机器人导航系统及其仿真软件进行了分析 研究。 首先介绍了移动机器人的发展状况，分析了国内外移动机器人研究现状。并 综合分析比较了目前常用的移动机器人定位和路径规划技术，结合设计需求，提 出了室外自主移动机器人定位及路径规划比较合理的总体设计方案。 针对定位本文分析研究了g p s 定位，d r 导航原理。g p s 定位存在误差大，有 盲区等缺点；而d r 航位推算存在初始准确但误差随时间累积的问题。因此，对 移动机器人运动进行建模并使用卡尔曼滤波将二者数据进行融合，综合二者的优 点，可以有效提高定位精度。通过实验表明，滤波后定位效果大大好于单独使用 g p s 或者d r 定位。 为了对移动机器人的定位、运动控制和路径规划进行研究，编写了通用的二 维移动机器人仿真软件r s p 。真实模拟了实际环境，大大提高了算法的验证效率， 并为以后的实验提供方便。并在此基础上，设计并实现了三维机器人仿真软件 r s p 3 d 。相对于二维的r s p ，r s p 3 d 可以更好地对机器人及其运动环境进行模拟， 大大提高仿真的有效性。 针对路径规划本文分析研究了基于行为的运动控制算法，将其应用于室外移 动机器人的导航控制中。借鉴免疫网络的原理，构建了一个行为仲裁系统，对行 为单元进行协调。系统能根据外部环境动态地改变行为单元的优先级，同时考虑 到反应式控制体系固有的缺陷，添加规划推理模块对系统进行推理和指导，增强 系统对环境的适应能力和灵活性。使用r s p 及r s p 3 d 仿真软件并对路径规划算法 进行了验证。实验结果表明，在比较理想的情况下，算法可以很好地完成机器人 导航任务。在仿真的基础上，使用硬件平台对算法进行验证，并分析了实验结果。 最后对全文工作进行总结，并对研究工作的继续深入提出设想。 关键字：定位；卡尔曼滤波；路径规划；仿真；人工免疫；设计模式 o u t d o ora u t o n o m o u sm o biier o b o tn a vig a tio ns y s t e ma n d lt ssim ula tio ns o f t w a r ed e s 。 ：a n d e m e n t a t i g na n d im pie m e n t a t 。io n a b s t r a c t a u t o n o m o u sm o b i l er o b o th a st h ea b i l i t yo fs e l f - p l a n n i n g ，s e l f o r g a n i z a t i o na n da d a p t i v i t y i t sg o a li sm o v i n ga n da c c o m p l i s h i n gt a s k s w i t h o u th u m a na s s i s t a n c eo rc h a n g i n ge n v i r o n m e n t s on a v i g a t i o ni sa n i m p o r t a n tp a r to fm o b i l er o b o tf i e l d a n di ti sak e yt e c h n o l o g yo fm o b i l e r o b o ti n t e l l i g e n c e a l t h o u g ho u rc o u n t r yh a sm a d es o m ea c h i e v e m e n t s ，w e s t i l lf a l lb e h i n ds o m ew e s t e r nc o u n t r i e s a n dw eh a v ef e wr o b o t sa p p l i e d i nt h er e a lw o r l d s oi ti so fg r e a tt h e o r e t i ca n de n g i n e e r i n gi m p o r t a n c e t od ot h isr e s e a r c h t h em a i nc o n t e n to fm o b i l en a v i g a t i o ns y s t e mc o n t a i n sm o b i l er o b o t 1 0 c a l i z a t i o na n dp a t h - p l a n n i n g i no r d e rt oe n a b l em o b i l er o b o tt h e a b i l i t i e so fa p t i t u d ea n da u t o n o m y ，t h em o b i l er o b o tn a v i g a t i o ns y s t e m a n di t ss i m u l a t i o ns o f t w a r ea r ea n a l y s e da n dr e s e a r c h e d f i r s to fa l l ，t h ed e v e l o p i n gh is t o r yo fm o b il er o b o tisi n t r o d u c e d a n dt h ed e v e l o p i n gs t a t u so fm o b i l er o b o ti nd o m e s t i ca n do v e r s e a si s a n a l y s e d t h em a i nt e c h n o l o g i e so fm o b i l er o b o tl o c a l i z a t i o na n d p a t h - p l a n n i n gn o w a d a y si ss t u d i e d b a s e do nt h er e q u i r e m e n t ，ar e a s o n a b l e o v e r a l ld e s i g no fo u t d o o ra u t o n o m o u sm o b i l er o b o tl o c a l i z a t i o na n d p a t h p l a n n i n gi sp r e s e n t e d a f t e rt h a tg p sl o c a l i z a t i o na n dd rn a v i g a t i o np r i n c i p l ea r ea n a l y s e d a n dr e s e a r c h e d t h ee r r o ro fg p sl o c a l i z a t i o ni sl a r g ea n dt h e r ea r ea r e a s w h e r et h eg p sd a t ac a n n o tb er e c e i v e d t h ee r r o ro fd ri si n i t i a l l ys m a l l b u tw i l lb el a r g e ra n dl a r g e ra st h et i m eg o e s s ot h ek a l m a nf i l t e ri s u s e dt oc o m b i n et h eg p sd a t aa n dd rd a t at oi n t e g r a t et h e i ra d v a n t a g e s i t i ss h o w nb yt h ee x p e r i m e n t ，t h ef i l t e ri m p r o v e st h el o c a l i z a t i o n p r e c i s i o ng r e a t l y i no r d e rt oa n a l y s et h el o c a liz a ti o n ，m o v ec o n t r o la n dp a t h p l a no f t h em o b i l er o b o t ag e n e r a l2 ds i m u l a t i o ns o f t w a r er s pi sw r o t e i tc a n s i m u l a t et h er e a le n v i r o n m e n ta n di m p r o v et h ev e r i f i c a t i o no fa l g o r i t h m g r e a t l y b a s e do nr s p ，a3 ds i m u l a t i o ns o f t w a r er s p 3 di sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d 。c o m p a r e dt or s p ，r s p 3 dc a ns i m u l a t et h er o b o ta n di t s e n v i r o n m e n tb e t t e ra n di m p r o v et h ee f f e c t i v e n e s so ft h es i m u l a ti o n t h e nt h eb e h a v i o rb a s e dm o ti o nc o n t r o lm e t h o disa n a l y s e da n di s a p p l i e di nt h eo u t d o o rm o b i l er o b o tn a v i g a t i o n b yu s i n gi m m u n en e t w o r k p r i n c i p l e ，ab e h a v i o ra r b i t r a t i o ns y s t e mi sb u i l tt os e l e c tb e h a v i o r 。t h e p r i o r i t yo fb e h a v i o rc a nb ed y n a m i c a l l yc h a n g e dd e p e n d i n go nt h eo u t s i d e c i r c u m s t a n c e s t h ed r a w b a c ko fr e a c t i v ec o n t r o lli n gs y s t e mi sc o n s i d e r e d ， a n dt h ep l a n n i n go rr e a s o n i n gm o d u l ei sa d d e dt oe n h a n c et h es y s t e m s a d a p t a t i o nt oe n v i r o n m e n ta n df l e x i b i l i t y i no r d e r t ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m ，r s pa n dr s p 3 da r eu s e dt oe v a l u a t et h e p a t h - p l a n n i n ga l g o r it h m e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a ti nr e l a t i v e l y i d e a lc o n d i t i o nt h er o b o tc a na c c o m p l i s ht a s ku s i n gt h ea l g o r i t h m t h e n t h ea l g o r it h mist e s t e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h er e s u l tis a n a l y s e d i nt h ee n d ，as u m m a r yi sm a d ef o rt h ew h o l er e s e a r c hw o r ka n dt h ef u t u r e r e s e a r c hp l a nisp r e s e n t e d k e y w o r d s ：a u t o n o m o u sm o b il er o b o t ：i o c a ii z a t i o n ：g p s ；k a i m a nf ii t e r ： p a t h - p l a n n i n g ；s i m u l a t i o n ；a r t i f i c i a ii m m u n e ；d e s i g np a t t e r n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注i 垫逡查基丝壶要挂型直明丝：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学譬论文作者签名：m 响签字日期：昭年1 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签字李嵌 导师签字：磅“足 甜 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 0 前言 0 1 引言 机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体 现n 1 。机器人在当前生产生活中的应用越来越广泛，正在替代人发挥着日益重要 的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工 智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表高新技 术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向，因此对于机器人技术的研究引起了 人们日益广泛的重视。 ， 机器人的英文单词来源于捷克语“r o b o t a ”，意思是“工作 。简言之，机 器人是一种带有外部传感器的可编程的操作机，可以完成各种装配作业。根据这 一定义，机器人必须具有智能，这种智能通常取决于同控制和传感系统有关的计 算机算法。但进入2 0 世纪9 0 年代以来，由于具有一般功能的传统工业机器人的 应用趋向饱和，而许多高级生产和特种应用需要各种智能机器人的参与，因而促 使智能机器人获得较为迅速的发展。所以，开发各种智能机器人，以求提高机器 人的性能，扩大其功能和应用领域是复苏和继续发展机器人产业的一条重要途径 l t - 3 0 室外智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支。室外移动机器人 集人工智能、智能控制、信息处理、图像处理、检测与转换等专业技术为一体，跨 计算机、自动控制、机械、电子等学科，成为当前智能机器人研究的热点之一， 表现出强劲的发展势头。 室外智能移动机器人具有高度自规划、自组织和自适应能力，适合于在复杂 的非结构化环境中工作。其目标是在没有人的干预、无需对环境做任何规定和改 变的条件下有目的地移动和完成相应任务。因此，室外移动机器人是一个组成结 构非常复杂的系统，它不仅具有加速、减速、前进、后退以及转弯等常规的功能， 而且还具有任务分析、路径规划、路径跟踪、信息感知、自主决策等智能行为。 按其功能划分，室外移动机器人可以看作是由机械装置、行为控制器、知识库及 传感器系统组成的相互联系、相互作用的复杂动态系统。室外移动机器人的研究 涉及机械、控制、传感器、人工智能等技术，但主要集中在若干关键技术的研究 ： 与突破。这些关键技术主要包括机器人控制体系结构、路径规划与车体控制技术、 1 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 机器人的定位系统、机器人视觉信息的实时处理技术以及多传感器信息的集成与 融合等。 0 2 移动机器人发展概况帕 移动机器人的研究开始于2 0 世纪6 0 年代末期。斯坦福研究院( s r i ) 的n i l s n i l s s e n 和c h a r l e sr o s e n 等人，在1 9 6 9 年至1 9 7 2 年中研制出了取名为s h a k e y 的自主移动机器人。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，其中最著 名的是g e n e r a le l e c t r i cq u a d r u p e d 的步行机器人。2 0 世纪7 0 年代末，随着 计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人又有了新的进展。从2 0 世纪8 0 年代开始，美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 专门立项，在全世界范围内掀开 了全面研究室外移动机器人的序幕，带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智 能机器人的途径积累了经验，同时，也推动了其他国家对移动机器人的研究和开 发。到2 0 世纪9 0 年代，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，适应 性强的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，展开了移动机器人 更高层次的研究。随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各 个应用领域，向实用化前进。 美国的两个火星探测机器人：精神号( s p i r i t ) 与机会号( o p p o r t u n i t y ) ，已 经分别在2 0 0 4 年1 月3 日及2 4 日登陆火星，引起了全世界的广泛关注。近来， 美国航空航天局( n a s a ) 正在积极研制体积更大、功能更全的探测车“火星漫游 者。由美国航空航天局n a s am a r sr o v e r 2 0 0 9 计划资助，密歇根大学移动机器 人实验室设计的机器人f l u f f y 旨在为火星漫游任务开发一个高精度的航位推测 系统，并将基于模糊逻辑专家规则的导航( f l e x n a v ) 方法应用于f l u f f y 。 国内移动机器人的研究起步较晚，大多数研究目前尚处于某个单项研究阶 段，主要研究工作有：浙江大学、清华大学、国防科技大学和南京理工大学等联 合研制的a l v l a b 可以在道路环境下高速行进：清华机器人t h m r v 采用了g p s 、 光码盘和磁罗盘等定位技术，从而保证了t 删r - v 的定位系统精度和可靠性：上海 交大的机器人f r o n t i e ri 自主移动机器人和s m a r t y i s i o n 实时视觉系统可以作 为智能机器人研究和教学的实验平台，具有良好的稳定性、开放性和可扩展功能。 而在服务机器人方面，中科院自动化所研制的移动机器人c a s i a - i 由超声和红外 传感器、摄像机等组成，能实现一定的自主性导航。中国海洋大学研制成功的新 2 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 型导医机器人“导医小姐 海福利和“护士助手”海乐福，全都采用了红外导航、 机器人环境模式识别的导航技术，达到局部的自主性。哈尔滨工业大学机器人研 究所开发的爬壁机器人，则可用于高空极限作业。 0 3 移动机器人主要研究的方向n 卜坞1 定位 定位是移动机器人研究的重要问题。所谓定位就是获得机器人当前的位置和 方向，为机器人下一步行动做准备。定位的准确与否，直接影响机器人自主移动 的成功与否。移动机器人的定位方式可分为：基于环境信息的地图模型匹配定位； 基于各种路标信号的定位、信源定位等。 路径规划 路径规划技术是机器人研究领域中的一个重要分支。所谓机器人的最优路径 规划问题，就是依据某个或某些优化准则( 如工作代价最小、行走路线最短、行 走时间最短、行走能量消耗最低等) ，在其工作空间中找到一条从起始状态到目 标状态的能避开障碍物的最优路径。 机器人视觉 机器人视觉是随着6 0 年代末计算机与电子技术的快速发展而出现的。目前 正广泛地应用于视觉检测、机器人的视觉引导和自动化装配领域中。 多传感器信息融合 移动机器人的多传感器信息融合方面的研究始于8 0 年代，它可以增加各类 传感器信息的互补性，对环境变化的适应性，实现各种复杂、动态、不确定环境 下的自主性，提高决策的正确性和导航控制的鲁棒性。 多移动机器人协调 多机器人系统的研究始于2 0 世纪7 0 年代，随着机器人应用领域的不断拓展、 机器人工作环境复杂度、任务的加重，多机器人的研究已经成为机器人学研究的 一个热点。 运动控制 研究机器人现实环境下的动作控制策略与方法。主要控制系统有传统控制系 统、反应式控制系统、混和式控制系统和基于行为控制系统。 实验研究与系统软件平台开发 互 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 研制具有高度开放性、通用性、机器人平台无关性和可扩展性的系统软件平 台，对现有的零散技术成果进行系统集成，同时为规范系统软件的设计框架提供 标准。 0 4 本文研究内容 未知环境下自主移动机器人技术是2 1 世纪机器人技术发展的重点，其应用 范围也越来越广。导航技术是自主式移动机器人相关技术的研究核心，也是移动 机器人实现智能化及完全自主的关键技术。而移动机器人导航系统的设计方式及 路径规划方法很多，具体实现也多种多样，所以究竟采用何种实现方式应根据要 实现的目的来具体确定。 本研究的主要目的是探讨在室外非结构化环境中以g p s 为主要定位手段，使 用卡尔曼滤波对g p s 和里程计数据进行融合实现定位，使用基于行为的方法实现 机器人的运动控制，使用人工免疫算法来实现机器人的路径规划。以此为目标设 计并实现了机器人控制与仿真平台，其中仿真平台分为二维仿真软件r s p 和三维 仿真软件r s p 3 d 。通过仿真平台实现了对定位、运动控制、路径规划等技术的集 成，为以后的机器人系统设计提供了参考和可复用原件。 本文各章的主要内容如下： 第一章综合介绍了目前主要的定位、运动控制和路径规划方法，针对实验需要， 比较了各种方法，给出了本文导航系统的总体设计方案。 第二章介绍了机器人仿真系统，根据第一章的设计方案给出了机器人仿真平台的 需求。 第三章对实验所采用的博创v o y a g e r 机器人进行了介绍，并设计了移动机器人的 控制软件。 第四章介绍基于卡尔曼滤波的g p s 和d r 数据相融合的定位方法。 第五章介绍二维移动机器人仿真软件r s p 的设计和软件实现情况。 第六章介绍三维移动机器人仿真软件r s p 3 d 的设计和软件实现情况。 第七章介绍基于行为的机器人运动控制和受免疫网络启发的路径规划算法，使用 仿真软件对算法进行验证以及硬件实验结果及其分析。 第八章对研究工作进行了总结和展望。 4 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 1 移动机器人导航关键技术介绍 1 1 移动机器人导航概述 导航是对移动机器人所要求的最具挑战性的能力之一，l e o n a r d 和d u r r a n d t w h y t e 提出，导航需要解决的问题是“w h e r e 鲫i ? ，“w h e r ea mig o i n g ? ， “h o wd oig e tt h e r e ? ”n 们。其中第一个问题就是机器人定位问题，这是其它 两个问题的前提和基础。首先明确自身位置，然后根据自身位置和目标点位置做 出路径规划。 导航的成功需要导航的四个模块的成功：感知，机器人必须解释它的传感器 信息，提取有意义的数据：定位，机器人必须确定它在环境中的位置；认知，机 器人必须决定如何行动以达到目标；运动控制，机器人必须调节它的运动输出以 实现期望的轨迹咖1 。 在自主移动机器人系统设计中，定位模块、运动控制模块和路径规划模块是 三个重要方面，本章将着重介绍定位、运动控制和路径规划领域经典的方法以及 目前常用的方法。 1 2 移动机器人定位 定位是确定机器人在其作业环境中所处位置的过程。更具体地说是利用先验 环境地图信息、机器人位姿的当前估计以及传感器的观测值等输入信息，经过一 定的处理和变换，产生更加准确的对机器人当前位姿的估计。应用传感器感知的 信息实现可靠的定位是自主移动机器人最基本、最重要的一项功能，也是移动机 器人研究中倍受关注、富有挑战性的一个重要研究主题。 按照机器人定位是否依赖地图又可以将定位分为无地图的定位和基于地图 的定位。 1 2 1 不使用地图的定位 其中不使用地图的定位主要有信源定位和路标定位。 信源定位，即信号源主动发出信号，供接收方加以利用，此技术本来被广泛 应用于飞机和海船的导航，后来被引入移动机器人定位领域乜u 。使用信源定位一 般依靠三边测量法( t r i l a t e r a t i o n ) 和三角形测量法( t r i a n g u l a t i o n ) ，g p s 全球 定位就是使用三边测量进行定位的。 路标定位在这里指的是机器人利用从它的外部传感器信息中识别出来的特 5 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 征来进行定位。基于路标的定位研究重点在于如何能够可靠识别环境中的路标， 同时有效利用这些信息进行环境的定位。： 1 2 2 基于地图的定位 基于地图的方法有时也被称为地图匹配方法，使用该方法进行定位时机器人 必须用它自身的传感器建立一张周围环境的局部地图，之后用事先存储的全局地 图与这张地图进行比较，直到找到一个最合适的匹配位置，以此计算自身的确切 位置翻。 目前对于已知环境下机器人的定位已经有了一些实用的解决方法；然而在很 多实际应用环境中机器人不能利用全局定位系统定位，事先建立机器人工作环境 的地图也非常困难。这时机器人需要在自身位置不确定以及完全未知环境下创建 地图，同时利用地图进行自主定位。由此发展出了移动机器人同时定位与地图创 建( s l a m ) 问题，机器人在自身位置不确定的条件下，在完全未知环境中创建地 图，同时利用地图进行自主定位和导航。s l a m 是个最优方法，但是计算量巨大， 甚至超出了今天计算机资源可达的范围1 。 另外，基于地图的定位方法在室内环境中已经有了很多的研究成果，但是在 室外环境的成功例子仍然不多。这是由于室外环境范围大，不利于人工改造，情 况可能变化。基于地图进行定位如果想要获得较为精确的结果往往需要做大量的 运算，当没有机器人初始位置信息时定位的速度和精度都大大下降。另外，当前 以测距传感器作为地图匹配信息来源的各种研究中，取得了较好效果甚至投入使 用的方法大多数都是使用激光测距仪进行的定位研究，而激光测距仪价格不菲， 不利于普及。本文主要讨论的是室外未知环境下的机器人定位问题，所以很难准 确建立环境地图，再加上机器人没有搭配昂贵的激光测距仪，故采用不基于地图 的定位方法。在不基于地图的定位方法中，信标定位对环境改造较大，也不符合 未知环境的需求。目前g p s 定位理论研究相对成熟，同时不需要对环境进行改造， 因此机器人定位采用信源定位中的g p s 定位。 1 3 移动机器人运动控制 移动机器人控制体系结构是实施控制的策略与方法。主要控制系统有传统控 制系统、反应式控制系统、混和式控制系统和基于行为控制系统。 6 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 1 3 1 传统控制系统( d e l i b e r a t i v ec o n t r o ls y s t e m ) 传统控制系统结构源自基于认知的人工智能模型，在这种模型中，智能任务 由运行于符号模型之上的推理过程来实现，遵循的是一条从感知到动作的串行功 能分解控制路线，因此延时长，实时性差，其中任何一个模块的故障直接影响整 个系统的功能。 1 3 2 反应式控制系统( r e a c t i v ec o n t r o ls y s t e m ) 纯粹的反应式系统不使用任何的环境信息内部描述，不执行任何的规划，机 器人只是对传感器的信息直接进行反应，从而产生动作。反应式控制系统地局限 性就是这样的机器人通常不能保存周围信息，没有记忆功能，没有内部的环境描 述，没有实时学习规划能力瞳钔。 1 3 3 混和式控制系统( h y b r i dd e l i b e r a t i o n r e a c t i v ec o n t r o ls y s t e m ) 混合式控制系统的目标就是有效地把古典的慎思型控制和反应式控制的优 点结合在一起。在混合式系统中，所有的行为可以有激活和不激活两种状态，组 合后使机器人完成较为复杂的任务。 1 - 3 4 基于行为的控制方法( b e h a v i o r _ b a s e dc o n t r o ls y s t e m ) 基于行为控制方法是反应式系统的扩展，它介于纯粹的反应式和极端的镇思 型之间。 它与传统的机器人运动控制方法的不同之处在于，传统的控制方法一般采用 递阶控制形式，在每层的控制中包含“感知一建模一规划一执行 环节，这种控 制结构应用对世界的知识进行推理，它需要保证关于世界的知识是不变的和可靠 的，否则可能产生严重的错误。显然，在动态环境下，这种基于深思熟虑式规划 的控制方式是很难满足机器人所需要的实时性和鲁棒性要求的。而在基于行为的 机器人控制结构中，行为是机器人的基本控制单元，是“刺激一反应”的映射， 它避免了对世界的建模和知识的表达，对感知直接反应，这特别适用于动态环境， 此时建模计算量大，并且是不可靠的。它以动物的行为模型作为系统的基础，经 常使用行为学、心理学等的机理和模型。它的系统是模块化的，通过增加新行为 来扩展机器人的能力，而不需要去掉旧的，这种能力的累积和重用性利于构建复 杂的机器人系统。 这种控制结构的典型代表是m i t 的b r o o k 提出的包容式结构( s u b s u m p t i o n a r c h i t e c t u r e ) ，它的基本思想是把复杂的任务分解成很多简单的可以并发执行 7 室外自燕移动机器入导航系统殿其仿真软件的设计与实现 的单元，每个单元有自己的感知器和执行器，这两者紧耦合在一起构成一个行为， 多个往为相互松耦合构成层次模型。某一时刻只有种行为控制车体，机器人的 最终行为由各行为模块竞争实现。这种控钊结构的优点是由于许多行为仅设计成 完成一个简单的特殊任务，且所占内存不大，因此可以产生快速的响应，系统功 能扩展较容易，但随着子任务的增多，需要设计有效的协调机制来解决各个行为 对同一驱动装置争夺控制的冲突。基于导航任务合理地划分出行为单元，设计一 种有效的行为调度机制，阕时根据世界知识对反应式系统进行配置和指导也是今 后的研究重点。上述控制结构可嘲下图嘶1 表示： 图i - i 基于行为的控制结构 基于行为的控制算法适用范围广，算法易于实现，而且可以根据需要在尽可 能不改变现有实现的基础上不断地扩展以适应新的情况或添加新的机器人元器 件，非常适合室外未知环境使用。 1 4 移动机器人路径规划 路径规划技术是机器入研究领域的一个重要分支。最优路径规划就是依据某 个或某些优化准则( 如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等) ，在机器 人工作空闻串找到一条从起始状态到匿标状态、可以避开障碍物的最优路径。 按照地图已知未知的分类方法可以把路径规划分为地图已知的路径规划方 法和路径未知的路径规划方法翻。本文主要从这个分类来介绍各种路径规划方 法，以便和前面定位的分类相一致。 1 4 。薹地图已翔的路径规划方法。 地图已知的路径规划又叫全局路径规划。其主要方法有：可视图法 8 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 ( v - g r a p h ) 、自由空间法( f r e es p a c ea p p r o a c h ) 和栅格法( g r i d s ) 等。 可视图法适用于环境中的障碍是多边形的情况。首先将机器人看成一个点， 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、目标点和障碍物各项点之间以及各障碍物项点与顶点之间的连线， 均不能穿越障碍物，即直线是可视的；然后搜索最优路径的问题就转化为从起始 点到目标点经过这些可视直线的最短距离问题涵】。 环境分割的方法采用预先定义的基本形状构造自由空间，并将这些基本单元 及它们之间的联系组成一个连通图，然后运用图搜索方法进行路径的搜索。 拓扑、法 刎是将规划空间分割成具有拓扑特征子空间，并建立拓扑网络，在拓 扑网络上寻找起始点到目标点的拓扑路径，最终由拓扑路径求出几何路径。 1 4 2 地图未知的路径规划方法。 地图未知的路径规划又叫局部规划。其主要方法有：人工势场法、遗传算法、 模糊逻辑算法、神经网络算法等。 人工势场法啪3 基本思想是将机器人在环境中的运动视为一种虚拟的人工受力 场中的运动，障碍物或不希望机器人进入的区域对机器人产生斥力，目标点对机 器人产生引力，引力和斥力合力作为机器人的加速力，来控制机器人的运动方向。 虽然人工势场法实现简单，便于底层的实时控制，但人工势场法存在缺陷：存在 陷阱区域，产生死锁现象；在靠近障碍物时不能发现路径；在障碍物前震荡；在 狭窄通道中摆动。 遗传算法嘲1 利用选择、交叉和变异等遗传操作来培养控制机构的计算程序， 在某种程度上对生物进化过程做数学方式的模拟。遗传算法的运行速度不快，进 化众多的规划要占据较大的存储空间和运算时间，因此其实时性很难保证，而且 算法不稳定。 模糊逻辑算法啪1 进行局部避碰规划，基于传感器实时测量信息，通过查表得 到规划出的信息，计算量不大，易做到边规划边跟踪，能满足实时性要求。但是 算法本身较为复杂。 神经网络算法口1 1 易于表达某些难以精确描述的规则，但需要对环境进行学 习，受学习样本的影响很大，选择代表性强的样本集是一件十分困难的事情，而 让样本集覆盖整个样本空间是不现实的，因而样本设计就成为神经网络应用的一 个主要问题，实际应用中，未能取得满意的效果。 9 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 1 4 3 人工免疫算法 免疫系统是生物体信息处理系统的重要组成部分，近年来，免疫系统的一些 特点引起了人们的注意，如自我非自我的抗原识别机制、学习和记忆能力、自适 应环境能力以及能与体内其它系统和组织进行协调共处的特点等，人们开始重视 对免疫系统的研究和仿生。口2 3 通过对免疫系统机理的仿生，可以建立新型信息处 理系统人工免疫系统( a r t i f i c i a li m m u n es y s t e m 简称a i s ) ，这已经是许多学 者的共识。a i s 的研究是继神经网络、模糊系统和进化计算等研究之后智能信息 处理系统的又一个热点，其研究结果已涉及控制、故障诊断、模式识别、图像识 别、优化设计、机器学习、联想记忆和计算机安全等许多领域，在移动机器人领 域也有着较广泛的应用，并取得了不错的效果，如：d o n g - w o o kl e e 聃1 等构造 了一种人工免疫网络用于多个机器人协调控制。在这个网络中，每一个机器人被 视为一种b 细胞，环境条件被视为抗原，行为策略被视为抗体，当环境条件变化 时，每个机器人根据所探测到的环境选择合适的策略，并受其它机器人的激励或 抑制。m i t s u m o t o 口司等也进行了类似的工作。 在国内，中国科技大学的刘克胜啪1 等基于免疫学的细胞克隆选择学说和 j e r n e 的网络调节理论，设计出一种人工免疫系统模型及算法，并应用于自主式 移动机器人的行为控制研究，这属于早期国内有关网络模型和应用的研究。华中 科技大学的罗攀口力等根据j e r n e 的免疫网络的模型提出了一种面向对象的人工 免疫系统模型，并将该模型应用于自主车辆的多传感器信息融合中。庄健、王孙 安等也提出基于人工免疫网络的移动机器人路径发现与规划算法啪3 ，实验结果显 示该算法具有很好的快速性和柔性，能在较短的时间内完成不同的任务，并基于 马尔可夫链理论，从数学上证明了该算法的收敛性。 本文将基于人工免疫原理设计机器人的路径规划系统，后面章节会给出详细 的说明。如前面定位小节所述，由于实验机器人工作于室外环境，无法准确得到 环境地图，因此路径规划只能采用局部规划方法。在各种局部规划方法中，人工 势场法需要对环境改造，而且存在固有的死锁和震荡现象；遗传算法和模糊逻辑 算法计算量大，很难保证实时性；神经网络算法需要对环境进行学习，不符合未 知环境的要求；人工免疫算法适用性强，可以应用于未知环境。综合考虑未知环 境和实时性要求，最终决定在运动控制上选用基于行为的方法，保证机器人的实 时反应，为了防止纯粹的基于行为会使机器人失去全局目标性，使用人工免疫算 1 0 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 法对行为进行仲裁。 一 。 1 5 本章小结 本章介绍了移动机器人定位、运动控制和路径规划的主要方法。然后根据实 验需要决定使用在本文导航系统的设计中使用g p s 定位、基于行为的运动控制方 法和人工免疫路径规划算法。 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 2 机器人仿真系统概述 2 1系统仿真技术 仿真是近3 0 年在系统科学、系统识别、控制理论、计算技术和控制工程等 多种技术发展的基础上发展起来的一门综合性很强的新兴技术。随着计算机技 术、计算方法的发展，人们建立数学模型的能力、计算机求解复杂模型的能力以 及存储能力都得到了显著加强，系统仿真也逐步过渡到数字仿真，图形仿真，继 而到虚拟现实。计算机系统仿真就是以计算机为工具，以相似原理、仿真技术、 系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，利用系统模型对实际的或设想的 系统进行试验研究的一门综合性技术。它集成了当代科学技术中的多种现代化顶 尖手段，正在极大地扩大着人类的视野、时限和能力，在科学领域里产生着日益 重要的作用。目前，计算机系统仿真己广泛地应用于航空航天、通信、交通、化 工、军事、生物、医学等领域，其重要性已广为人知1 。 从计算机系统仿真的定义可以看出，计算机系统仿真包含了三个方面的信息 ( 三要素) ：系统、模型、计算机，而联系着它们三者之间的基本活动是：系统模型 建立、仿真模型建立、仿真实验。它们之间的关系如图2 - 1 。 图2 - 1 仿真三要素 “系统 是指被研究的对象。建立系统模型就是要把待研究的系统从周围的 环境中界定出来，并把它描述成数学模型。建立被研究系统的数学模型，就是为 了能用计算机语言实现。从数学模型到仿真模型的转换过程，就是仿真模型建立。 只有经过转换后的仿真模型才能为计算机识别并运行。系统模型建立构造模型是 为了缩小、简化被研究的系统，使它规范化。模型必须与研究目的紧密联系，要 有明确的目标与要求，模型的性质与真实系统尽量接近。也就是要在不影响研究 目的的同时，尽可能地规范化模型，以达到提高仿真效率的目的。 1 2 室外自主移动机器人导航系统及其仿真软件的设计与实现 仿真模型建立是指用计算机高级语言或一定的语言来描述系统的数学模型， 以便其在计算机上将其表示出来，供后续的仿真工作使用。仿真程序设计进行系 统的仿真，必须使仿真模型一样具有实际模型的某些基本一致的条件和功能，这 样才可以反馈与系统有关的信息，进而在此基础上对系统进行分析评论。因此， 运用计算机仿真必须对所研究的系统的信息程序化，使其在计算机上反映出来。 仿真实验也就是运行模型，是为了得到有关被研究系统的信息，并根据此可 以了解和预测实际系统运行的情况。因此模型运行是一个动态的过程，需要进行 反复的试验运行，分析评论仿真运行的结果。由于计算机仿真技术并不是实物仿 真。在进行仿真之前需要做一些人为的过滤及处理，其中不可避免地有很多人为 的因素影响着仿真的结果。因此必须对仿真的结果作全面的分析和论证，才能决 定其结果的正确与否。 2 2 移动机器人仿真 由于移动机器人价格昂贵，以及机器人的作业空间需要较大而独立的试验场 地等诸多原因，不可能达到每个需要学习机器人的人都能亲自操作机器人的要 求。而可视化技术的出现，使得人们能够在图形世界中观察机器人，并通过计算机 交互式对机器人进行示教仿真。 本文基于v c + + 2 0 0 8 设计了二维移动机器人仿真系统r o b o ts i m u l a t i o n p l a t f o r m ( 简称r s p ) 。该系统可以提供一个真实的实验平台，在不接触实际机 器人及其工作环境的情况下，通过图形技术，提供一个和机器人进行交互的虚拟 环境。此系统充分模拟移动机器人的导航过程，可以在此系统上编辑移动机器人 的程序并动态模拟移动机器人的运动过程，观察移动机器人的运动结果，检验所 编写移动机器人程序的正确性。进行实物实验之前，可以先在仿真系统上进行模 拟仿真，观察实验的运动过程以及运动结果，避免直接在现实中操作对移动机器 人及周围物体可能造成的伤害。 在二维仿真软件r s p 的基础上，设计并实现了移动机器人三维仿真软件 r