移动机器人避障与路径规划研究_1绪论_8_16.txt

已知环境下基于蚂蚁算法移动机器人路径规划


息融合与经典信号处理方法之间存在本质的区别，其关键在子信息融合所处理的多
传感器信息具有更为复杂的形式，而且可以在不同的信息层次上出现。这些信息表
征层包括数据层，特征层和决策层。

对于具体的融合系统而言，它所接收到的信息可以是单一层次上的信息，也可
以是几种层次上的信息。融合的基本策略就是先对同一层次上的信息进行融合，从
而获得更高层次的融合后的信息，然后再汇入相应的高信息融合层次。因此总的来
说，信息融合本质上是一个由低至高对多源信息进行整合，逐层抽象的信息处理过
程。但在某些情况下；高层信息对低层信息的融合要起反馈控制的作用，亦即高层
信息有时也参与低层信息的融合。而且，在一些特殊应用场合，也可先进行高层信
息的融合。由此可以概括出信息融合过程的层次化结构，如图 
l.1所示。传感器各层
次的信息逐次在各融合节点（即融合中心）合成；各融合节点的融合信息和融合结
果，也可以交互的方式通过数据库系统进入其它融合节点，从而参与其它节点上的
融合。

高


信
息
表
征
水
平

数据库系统
数据层融合
特征层融合
决策层融合
多传感器信息
交换式信息
系统
数据信息决策信息特征信息
低

图 
1.1 多传感器信息融合层次结构

由图 
1.1可见，系统的信息融合相对子信息表征的层次也相应分为三类：数据层
融合、特征层融合和决策层融合。 


1.2.2 多传感器信息融合的应用
在移动机器人中, 传感器起着举足轻重的作用。针对距离和障碍的探测 
, 目前主

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要采用声波和红外线传感器。由于声波传感器信息处理简单、快速和价格低 , 因此广
泛应用于各种移动机器人。声波传感器是一个时间快速系统，当声波超出一定的门
槛电平时, 给出的范围有效。声波幅值依赖于返回波的倾斜角度 , 在一定的射线开放
角度范围内, 能够测量到物体间的最短距离[15]。然而 , 当倾斜角太大时，回波就会被
反射掉了。所以，移动机器人本体上的传感器通常是以组的形式而不是单个存在的。
以 Pioneer II 移动机器人为例，其声纳传感器就有 16个之多。这样有助于移动机器
人更准确的通过传感器的数据融合来对未知环境的感知。基于声纳传感器信息的数
据融合如图 1.2所示。

声纳传感器1
声纳传感器2
. 
. 
.


声纳传感器N
数

据
校原始数据
准
与
关
联


数融合数据 
据
融
合


图 1.2 声纳传感器信息融合 


1.3 课题背景、目的及意义
本课题是在控制科学与工程系智能与复杂系统实验室完成的，该实验室是为提
高研究生和本科生了解机器人避障、路径规划、编队等具体任务实现的一个开放式
平台。该实验室目前有美国 ActivMedia公司生产的 Pioneer II机器人六台。其中室内
机器人 P2-DXe四台，室外机器人 P2-AT两台。实验中使用的是室内机器人。

移动机器人按其控制方式和自主程度大致可分为遥控式、半自主式与自主式 3
种。我们实验室现在所使用的是半自主移动机器人（ Half Autonomous Mobile Robot， 
HAMR），可以按照人预先给出的任务指令，通过移动机器人本体的多种传感器不
断感知周围的局部环境信息，根据当前的局部环境做出各种决策，随时调整机器人
安全行驶并执行相应的动作与操作。

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本课题的目的在于通过对移动机器人的基本运动控制的分析，找出 Pioneer II移
动机器人运动控制的特性。根据这些基本的特性来进行移动机器人的路径规划策略
的研究，让机器人在比较复杂的未知地图上能通过多声纳传感器信息的数据融合技
术来找到一条可达路径。

本课题的研究涉及移动机器人的运动控制，同质传感器（声纳）的数据融合， 
Linux下的 c/c＋＋编程，windows平台的 VC编程，Socket通信等多方面的知识，对
全面掌握移动机器人的运动控制具有十分重要的意义。同时，这也给了我一个开阔
视野，了解不同学科在机器人领域应用的机会，为我以后的学习和工作打下了坚实
的基础。 

1.4 论文的主要内容
本论文是作者在研究生学习期间结合自己参与的课题项目的基础上，对移动机
器人避障和路径规划等关键问题深入分析后的总结。 

本论文以 Pioneer II移动机器人为研究背景，进行了移动机器人避障和路径规划
研究工作，本文的主要内容如下：

（1）对移动机器人的相关技术进行了相应的介绍。
（2）对 Pioneer II移动机器人及我们构建的通信平台做了介绍。同时给出了通
信平台的实现方法。
（3）对移动机器人的定位与运动控制做了深入分析，详细论述了移动机器人初
始位姿确定方法，给出基本的运动控制和避障的分解动作与机器人路径规划的内在
联系。
（4）对 A*算法做了介绍，给出了基于该算法的已知地图路径规划的实现方法。
（5）通过使用机器人本体上的 16个声纳传感器的信息融合来感知未知环境信
息，通过基于势场法的路径规划策略让机器人在比较复杂的未知地图上寻找一条到
达目标点的路径。 
（6）给出了移动机器人避障和路径规划的实验测试，结果证明了所采用的理论
和设计方法的正确性。
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2 移动机器人介绍与通信控制平台构建 


Pioneer II移动机器人本体是一个双层系统结构。一般来说开发者在 
Aria平台上
用 
c++或 
c编写的程序必须放到移动机器人的本体上，并且通过 
Telnet登陆机器人系
统来激活程序。如果程序错误或初始参数需要重新设定，就需要重新改写代码，并
且每次都需要在移动机器人本体上编译连接，重新做 
makefile文件，因此，调试程
序就相当繁琐。为了从这个繁琐的反复调试中解放出来，就需要构建了一个移动机
器人的通信控制平台，通过无线网卡与移动机器人通信。因此，在移动机器人本体
上编写了一个服务器程序，这个程序仅仅就是用来进行传感器数据的打包和发送以
及对客户端命令的解析。复杂的路径算法已经初始化的设置就让 
VC6.0构建的客户
端平台去实现，并且，编写的运动控制算法不需要在移动机器人本体进行编译和连
接，极大方便了程序的调试。 


2.1 Pioneer II移动机器人平台介绍
美国 
ActivMedia Robotics公司生产的 Pioneer 2-Dxe型机器人是一种灵活、通用
的智能移动机器人，如图 
2.1所示，它在同价格的移动机器人中具有较好的性价比[16]。
另外，该移动机器人还提供了一个很好的仿真平台 
SRI如图 
2.2所示，圆圈代表移动
机器人，在该平台下部有反映当前机器人状态的数据。在这个仿真平台下可以仿真
移动机器人的各种运动控制。


图 2.1 移动机器人示意图图 2.2 仿真平台示意图

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