维普资讯
http://www.cqvip.com
第
０ 年９
５
４卷
２
２ 第
月
期
０２
机器 人
ＲＢＴ
Ｏ Ｏ
ＶＳ
½½．，２００２
０ ２，½５
１ ４Ｎ ．
．
½
文 章 编 号 ： ０ ２ ０ ４ （ ０ ２ ０ — ４ ５ ０
１ ０ —４ ６ ２ ０ ） ５０ ７ —６
移 动 机器 人 技 术 研 究 现 状 与 未 来
李 磊 叶 涛 谭 民
陈 细 军
（ ½科 学 院 自动 化 研 究 所 复 杂 系 统 与 智 ½ 科 学 试 验 室
中
北京
½Ｏ８）
Ｏ Ｏ Ｏ
摘 要 ：本 文 综 述 了智 ½ 移 动 机 器 人 技 术 的 历 史 、 究 现 状 及 未 来 展 望 ． 移 动 机 器 人 的 导 航 和 定 ½ 、 传 感
研
对
多
器 融 合 等 技 术 进 行 了 较 为 详 细 的 分 析 ， 出 了 优 点 与 不 足 ． 时 对 仿 生 机 器 人 、 机 器 人 系统 与 机 器 人 足 球 等 移 动
指
同
多
机器 人技术 ， 了进一 步的分析．
做
关 键 词 ：导 航 与 定 ½ ； 径 规 划 ； 传 感 器 融 合 ； 机 器 人 系统 与 机 器 人 足 球
路
多
多
中 图分 类 号 ： ＴＰ ４
２
文献 标 识 码 ： Ｂ
ＰＲＥＳ
ＥＮＴ ＴＡＴＥ
Ｓ
ＡＮ Ｄ
ＦＵＴＵ ＲＥ
ＤＥＶＥＬ½ ＰＭ ＥＮ Ｔ
½Ｆ ½ＢＩ
Ｍ
ＬＥ
Ｒ½ Ｂ½Ｔ
ＴＥＣＨ Ｎ½Ｌ½ＧＹ
ＲＥＳＥＡＲＣＨ
ＬＩＬ½ ＹＥ ½ ＴＡＮ ½ ＣＨＥＮ －½
½
Ｔ½
Ｍ ½
Ｘ½½ ½
（ ½ ．½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ Ｉ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ， ½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ Ｃ ½½½Ａ½ ½ ½ ½½ ½½ ½½ ½． ０ ８ ）
Ｌ ½ ½
Ｃ½ ½½ Ｓ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ Ｉ ½ ½ ½ ½ Ａ ½
½
½
Ｓ½ ½
½
½½ ½ ， ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ Ｓ ½½ ½ ，Ｂ ½ ½ １ ０ ０
½
½
½
Ｏ
Ａ½ ½ ½ ：Ｉ ½½ ½
½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½½，½ ½ ½½ ½ ½
½ ½ ½ ½，½½ ½ ½½ ½ ½½½ ½ ½ ½½ ½½ ½ ½½½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½
½ ½½ ½½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½½ ½½½ ½½½ ½
½ ½ ½½½½
½½½ ½ ½½
½ ½½ －
½ ½ ½ ½． Ｗ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½，½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ Ｉ ½ ½ ½ ，
½½
½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½
½
½ ½
½½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ． ½ ½ ½ ½ ½
½
½ ½ ½½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ．½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½—
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½
½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ —
½
½½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ， ½ ½½½½ ½½½ ½ ½½ ½½ ½ ½½ ½．
½½½½ ½ ½½ ½ ½½ ½½½ ½ ½½½ ½½
½－ ½½ ½ ½
½ ½½ ½
Ｋ½ ½½ ½ ：½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½；½ ½ ½ ½ ½ ½；½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½；½ ½ ½— ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½
½ ½ ½ ½ ½½½½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½
½ ½
½½ ½½ ½½
½ ½ ½ ½½ ½½
½
½½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½
１ 引 言 （½ ½ ½ ½½½
Ｉ ½½ ½ ½ ）
½
移 动 机器 人 的研 究 始 于 ６
Ｏ年 代 末期 ． 坦 福 研
斯
究 院（ Ｒ ） Ｎ½ ½½ ½和 Ｃ ½½ ½ ½
Ｓ Ｉ 的 ½ Ｎ½ ½
½ ½
½ ½½ Ｒ ½½等人 ，
½
在
１６
９ ６年 至 １ ７
９ ２年 中研 造 出 了取 名 Ｓ ½ ½ ［ 的 自主
½ ½ ½１
Ｊ
代以来 ，
以研 制 高 水 平 的 环 境 信 息 传 感 器 和信 息 处
理技 术 ， 适 应 性 的移 动 机 器 人 控 制 技 术 ， 实 环 境
高
真
下 的 规 划 技 术 为标 志‘ 展 了移 动 机 器 人 更 高 层 次
，
开
的研 究 ．
移 动机 器 人 ．
目的是 研 究应 用 人 工 智 ½技 术 ，
在复 杂
环境 下 机 器 人 系 统 的 自主推 理 、 划 和控 制 ．
规
与此 同
时 ， 早 的操 ½ 式 步 行 机器 人 也 研 制 成 功 ， 而开 始
最
从
２ 移 动 机 器 人 分 类 （ ½ ½½ ½ ½½ ½½½ ½
Ｔ ½½ ½½ ½½ ½½
½
½
½ ½ ½）
½½
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 ， 计 并 研 制 出 了多 足 步 行
设
移 动 机 器 人 从 工 ½ 环 境 来 分 ， 分 为 室 内 移 动
可
机 器人 和室 外 移 动机 器 人 ； 移 动 方 式 来 分 ： 式 移
按
½
动机器人 、
步行 移 动 机 器 人 、 ½ 机 器 人 、 带 式 移
蛇
履
动 机 器 人 、 行机 器 人 等 ； 控 制 ½ 系 结 构 来 分 ：
爬
按
功
½式 （ 平 式 ） 构机 器 人 、 为 式 （ 直 式 ） 构 机
水
结
行
垂
结
器 人 和混 合 式机 器 人 ； 功 ½ 和 用 途 来 分 ： 疗 机 器
按
医
人 、 用机 器 人 、 残 机 器 人 、 洁 机 器 人 等 ． ½ 业
军
助
清
按
空 间 来 分 ： 地 移 动 机 器 人 、 下 机 器 人 、 人 飞 机
陆
水
无
和 空 间机器 人 ． 文仅 论述 陆 地移 动 机器 人 ．
本
机 器 人 ．其 中 最 著 名 是 名 为 Ｇ½ ½½ ½½½
½ ½½ ½½½
Ｅ
½
Ｑ½ ½ ½ ½ ½ 的 步 行 机 器 人 ． ０年 代 末 ，
½ ½½ ½
½
７
随着 计 算 机
的 应 用 和 传 感 技 术 的 发 展 ， 动 机 器 人 研 究 又 出现
移
了新 的高 ½ ． 别 是 在 ８
特
０年 代 中期 ， 计 和 制 造 机
设
器 人 的 浪 ½ 席 卷 全 世 界 ． 大 批 世 界 著 名 的公 司开
一
始 研 制 移 动 机 器 人 平 台 ， 些 移 动 机 器 人 主要 ½ 为
这
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． ０年
９
收 稿 日期 ½ ０ １ Ｏ — ２
２０一 ８ ５
维普资讯
http://www.cqvip.com
４６
７
机
器
人
２０
０ ２年 ９月
３ 移 动 机 器 人 技 术 的 主 要 研 究 方 向 （ ½
Ｔ½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½
½ ½ ½ ½
响应 速 度 快 以及 鲁 棒 性 ½ 等 优 点 ， 年 来 许 多 研 究
近
人 员 在 气 味导 航 技 术 上 做 了许 多研 究 工 ½ ． 该 项
½
技 术 ½ 够 真 正 应 用 到 实 际 环 境 中 的 却 很 少 ， 处 于
仍
试 验 研 究 阶段 ． ½½ ½Ｅ ½½ ½½½ Ｉ ½ 公 司 研 制 的
Ｆ ½ ½ ½ ½½½½ ½ ．
½½ ½ ½½ ）
½ ½ ½½ ½
３ １ 导 航 和 定 ½
．
氧化 锡 气 味传 感 器 ， 广 泛 用 于 气 味 导 航 试 验． 英
被
石
晶½ 微 平 衡 气 味 传 感 器 、 电 聚 合 物 气 味 传 感 器 和
导
一
导 航 和 定 ½ 是 移 动 机 器 人 研 究 的 两 个 重 要 问
题 ． 动机 器 人 的 导航 方 式 可分 为 ： 于 环 境 信 息 的
移
基
地 图模 型 匹 配 导航 ； 于 各种 导 航 信 号 的 陆标 导航 、
基
视觉 导航 和味 觉导 航 等．
环 境 地 图模 型 匹配 导航 是机 器 人 通 过 自身 的 各
种 传感 器 ， 测 周 围 环 境 ， 用感 知 到 的 局 部 环 境信
探
利
种 模 仿 哺乳 动 物 鼻 子 功 ½ 的 电子 鼻 等 用 于移 动 机
器 人 味 觉 导 航 的 传 感 器 ½ 处 于 试 验 阶 段．目前 的 味
觉 导 航 试验 多采 用 将机 器人 起 始 点 和 目标 点 之 间 用
特 殊 的 化学 药 品 ， 酒 精 和樟 脑 丸 等 ， 导 出一 条无
如
引
碰 气 味路 径 ， 器 人 根 据 不 同 的道 路 跟 踪算 法 ，
机
用气
息 进 行 局 部 地 图 构 造 ， 与 其 内 部 事 先 存 储 的 完整
并
地 图进 行 匹 配． 两模 型相 互 匹配 ， 器 人 可 确定 自
如
机
味 传感 器 感 知 气 味 的浓 淡 和 气 味 源 的 方 向 进 行机 器
人 导航 试 验 ．
味觉 导 航 的 研究 具 有 很 ½ 的研 究 价 值 ，
该种 移 动机 器人 可 用来 寻 找 化学 药 品 泄露 源．
３ １ １ 定 ½
．．
身 的½ ½ ， 根 据 预先 规划 的一 条 全 局路 线 ，
并
采用 路
径跟 踪 和 避 障 技术 ， 现 导航 ．
实
它涉 及 环 境 地 图模 型
建造 和模 型 匹配 两 大 问题 ［ ½
３．
陆 标 导航 是 事 先 将 环 境 中 的一 些 特 殊 景 物 ½ 为
陆标 ， 器 人 在 知 道 这 些 陆标 在 环 境 中的 坐标 、 状
机
½
½ 为移 动机 器 人 导 航 最 基 本 环 节 ， ½ 是 确 定
定
机 器 人 在 二 维 工 ½ 环 境 中相 对 于 全 局 坐标 的 ½ 姿 ．
定 ½ 方 法 根 据 机 器 人 工 ½ 环 境 复 杂 性 ， 备 传 感 器
配
的种类 和数 量 等 不 同有 多种 方 法 ．
主要 方 法 有 ： 性
惯
定 ½ 、 标定 ½ 和声 音 定 ½ 等． 性定 ½ 是 在 移 动机
陆
惯
器 人 的 ½ ½ 上装 有 光 电编 码 器 ， 过 对 ½ ½ ½ 动 的
通
记 ½来 粗 略地 确 定½ ½ 和姿 态 ． 方 法½ 然 简 单 ，
该
½
等 特 征 的前 提 下 ， 过 对 陆 标 的 探 测 来 确 定 自身 的
通
½ ½． 时将 全 局 路 线 分 解 成 为 陆 标 与 陆 标 间 的 片
同
段 ， 断 地 对 陆 标 探 测 来 完 成 导 航 ． 据 陆 标 的 不
不
根
同 ， 分 为人 工 陆 标 导航 和 自然 陆 标 导航 ． 工 陆标
可
人
导航 ［ 是机 器人 通 过 对 人 为放 ½ 的特 殊 标 志 的识 别
５
½
是 由 于 ½ ½ 与 地 面 存 在 打 滑 现 象 ， 生 的 累积 误 差
产
随 路 径 的增 加 而增 大 ，
定½ 误 差 会 逐 渐 累积 ，
引起 更
大 的 误 差． ½½ ½ ½１ 用 推 测 航 行 法 和证 据 栅 格
Ｙ½ ½ ½［３
１½
来 实 现 动 态 环 境 中 的 机 器 人 ½ ½． 方 法 把 在 不 同
该
时 段 建 立 的证 据 栅 格 匹 配 起 来 ， 用 一 种 爬 山算 法
½
实现 导 航 ， 然 比较容 易 实现 ， 它 人 为 地 改 变 了机
½
½
器人 工 ½ 的 环 境．
自然 陆标 导航 不 改 变 工½ 环 境 ，
是
机 器人 通 过 对 工½ 环 境 中的 自然特 征 的 识 别 完 成 导
航 ， 陆 标 探 测 的 稳 定 性 和 鲁棒 性 是 研 究 的 主要 问
½
题 ．
引
搜 索 可 ½ 的 平 移 与 ½ 动 空 间 ， 消 除 推 测 航 行 法 的
来
误 差 累 积 ； 标 定 ½ ［在 移 动 机 器 人 工 ½ 的环 境 里 ，
陆
５
½
人 为 地设 ½ 一 些 坐标 已知 的 陆 标 ， 超 声 波 发 射 器 、
如
视 觉 导 航 主 要 完 成 障 碍 物 和 陆 标 的 探 测 及 识
别． ½ ½ ½½ Ｃ 利 用 视 觉 探 测 陆 标 来 完 成 机 器 人 导
Ｔ ½ ½ ½½ ½
航． 中 陆标 不 是 事 先 定 义 的人 工 陆 标 ， 是 在 学 习
其
而
阶段 自动 ½ 取 的 自然 陆标 ．
视觉 导 航 中边缘 锐 化 、
特
激 光 反 射 板 等 ， 过 对 陆 标 的 探 测 来 确 定 自身 的½
通
姿．
三 角 测 量 法 是 陆 标 定 ½ 常 用 的 方 法 ， 器 人 在
机
同一 点探 测 到 三 个 陆标 ， 通 过 三 角 几 ½ 运 算 ，
并
可确
定 机 器 人 在 工½ 环 境 中 的 坐 标．
陆标 定 ½ 是 普 遍 采
征 提 取 等 图像 处 理 方 法 计 算 量 大 ， 时 性 差 始 终 是
实
一
个 瓶 颈 问题 ． 决 该 问题 的 关 键 在 于 设 计 一 种 快
解
速 的 图像 处 理 方 法． ½½½ Ｅ 提 出 了基 于 神 经 ½ 络
Ｓ½ ½½８
½
的 机 器 人 视 觉 导 航 技 术 ． 技 术 中估 算 逆 雅 可 比 矩
该
阵 是 基 于视 觉 导 航 的一 个 关 键 问题 ． 将 图像 特 征
它
的 变 化 与 机 器 人 的 ½ ½ 变 化 对 应 起 来 ， 过 神 经 ½
通
络 训 练来 近 似 特 征 雅 可 比矩 阵 的逆 阵．
该技 术 ， 过
通
提 取几 ½ 特 征 、 均 压 缩 、
平
向量量 化 和 主 成 分 提取 来
简化 图像 处 理 ， 现实 时 视觉 导航 ．
实
味 觉 导 航 ［ 是 通 过 机 器 人 配 备 的化 学 传 感 器
９
感 知 气 味 的浓 度 ， 据 气 味 的浓 度 和 气 流 的 方 向来
根
控 制机 器 人 的运 动．
由于 气 味传 感 器 具 有灵 敏 度 高 、
用 的 方法 ，
可获 得 较 高 的定 ½ 精 度 且 计 算 量 小 ，
可用
于 实 际 的生 产 中． 该 法需 要 对 环 境 ½ 一 些 改 造 ，
½
不
太 符 合 真 正 意 义 的 自主 导 航 ； 音 定 ½ 用 于 物 ½
声
超 出视 野 之 外 或 光 线 很 暗 时 ， 觉 导航 和 定 ½ 失 效
视
的 情 况之 下 ． 于 声 音 的无 方 向 性 和 时 间 分 辨 率 高
基
等 优 点 ， 用 最 大 似 然 法 、 空 梯 度 法 和 ＭＵＳ Ｃ法
采
时
Ｉ
等方 法 可实 现机 器 人 的精 确 定½ ．
３ １ ２ 路 径规 划
．．
不 论 采用 ½ 种 导 航 方 式 ， ½ 移 动 机 器 人 主 要
智
维普资讯
http://www.cqvip.com
第 ２ 第 ５期
４卷
李 磊 等 ： 移 动 机 器 人 技 术 研 究 现 状 与 未 来
４７
７
完 成 路 径 规划 、 ½ 和 避 障 等任 务 ． 径 规 划 是 自主
定
路
式移 动机器人导航 的基本环节 之一．
它是 按 照 某
性 ½ 指 标 搜 索 一条 从 起 始 状 态 到 目标 状 态 的最 优 或
近 似 最 优 的 无 碰 路 径 ． 据 机 器 人 对 环 境 信 息 知 道
根
的程 度 不 同 ， 分 为两 种 类 型 ： 境 信 息 完 全 知 道 的
可
环
½ ½ Ｐ ½½½½ Ｆ½½） 遗 传 算 法
½½
½ ½ ½½ ½ ½½ 、
½
（ ½ ½½
Ｇ ½ ½
½
Ａ½½ ½ ½ ）和 模 糊 逻 辑 算 法 （ ½ ½ Ｌ ½½
½½½
½
Ｆ ½½ ½ ½
Ａ½½ ½ ½） 人 工 势 场 法［½ 由 Ｋ½ ½
½ ½ ½ 等．
½
２是
１
½½ 出 的 一
½提
种 虚 拟 力 法 ． 基 本 思 想 是 将 机 器 人 在 环 境 中 的运
其
动 视 为 一 种 虚 拟 的人 工 受 力 场 中 的 运 动． 碍 物 对
障
机 器 人 产 生斥 力 ，
目标 点 产 生 引 力 ，
引力 和 斥力 的合
力 ½ 为 机 器 人 的加 速 力 ， 控 制 机 器 人 的 运 动 方 向
来
全局路径 规划和 环境信息完全未 知或部分未知 ，
通
过 传 感 器 在 线 地 对 机 器 人 的工 ½ 环 境 进 行 探 测 ，
以
获 取 障碍 物 的 ½ ½ 、 状 和尺 寸 等 信 息 的局 部 路 径
½
规 划．
和 计算 机 器 人 的½ ½． 法 结 构 简 单 ， 于½ 层 的实
该
便
时 控 制 ， 实 时避 障和 平 滑 的 ½ 迹 控 制 方 面 ， 到 了
在
得
广 泛 的应 用 ， 对 存 在 局 部 最 优解 的 问题 ， 易 产 生
½
容
全局 路 径 规 划包 括 环 境 建 模 和 路 径 搜 索 策 略两
个 子 问 题 ． 中 环 境 建 模 的 主 要 方 法 有 ： 视 图 法
其
可
（ Ｇ½½ ） 自由空 间法 （ ½½Ｓ ½½Ａ½ ½ ½½ 和栅
Ｖ— ½ ½ 、
Ｆ ½ ½ ½ ½½ ½ ）
格 法 （ ½½ 等． 视 图 法［½ 机 器 人 为 一 点 ， 机
Ｇ½ ） 可
½
１视
。
将
死锁 现 象 （ ½ ½ ½ ［ 因 而 可 ½½ 机 器 人 在 到 达
Ｄ½½ Ｌ ½ ）２
引，
目标 点 之 前 就停 留在局 部 最 优 点 ；． ½ ½ ［ ６
Ｊ Ｈ½½ ½ 在 ０
½ 。
年 代 初 提 出 了遗 传 算 法 ， 自然 遗 传 机 制 和 自然 选
以
择 等 生 物 进 化 理 论 为 基 础 ， 造 了 一 类 随机 化 搜 索
构
算 法 ． 利用 选 择 、 叉 和 变 异 来 培 养 控 制 机 构 的计
它
交
算 程 序 ， 某 种 程 度 上 对 生 物 进 化 过 程 做 数 学 方 式
在
的模 拟． 不要 求 适 应 度 ½数 是 可导 或 连续 的 ， 只
它
而
要 求适 应 度 ½数 为 正 ， 时½ 为并 行 算 法 ， 的 隐 并
同
它
行 性 适 用 于全 局 搜 索． 数 优 化 算 法 ½ 是 单 点 搜 索
多
算 法 ， 容 易 陷入 局 部 最优 ， 遗 传 算 法 却 是 一 种 多
很
而
点搜 索算 法 ，
因而 更 有 可½ 搜 索 到全 局 最 优 解 ．
由于
遗传 算 法 的整 ½ 搜 索策 略 和 优 化 计 算 不依 赖 于梯 度
信 息 ， 以解 决 了一 些 其 它 优 化 算 法 无 法 解 决 的 问
所
题． 遗 传算 法 运 算 速 度不 快 ， 化众 多 的规 划 要 占
½
进
据 较 大 的存 储 空 间 和 运 算 时 间 ； 于 实 时传 感 信 息
基
的模 糊 逻 辑 算 法 ［ 参 考 人 的 驾 驶 经 验 ， 过 查 表 得
２
通
到规 划 信 息 ， 现 局 部路 径 规 划 ． 方法 克服 了势 场
实
该
法 易 产 生 的局 部 极 小 问 题 ， 用 于 时 变 未 知 环 境 下
适
的路 径规 划 ， 时性 较 ½．
实
３ ２ 多传 感器 信 息融 合 方面 的研 究
．
器人 、
目标 点 和 多 边 ½ 障碍 物 的 各 顶 点 进 行 组 合 连
接 ， 求 机 器 人 和 障碍 物 各 顶 点 之 间 、
要
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 ， 不 ½ 穿 越 障 碍 物 ， 直 线 是 可 视 的． 索 最 优
均
即
搜
路 径 的 问题 就 ½ 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 ． 用 优 化算 法 ， 删 除一 些
运
可
不 必 要 的 连线 以简 化 可 视 图 ， 短搜 索 时 间． 法 ½
缩
该
够 求 得 最 短 路 径 ， 假 设 机 器 人 的 尺 寸 大 小 ½ 略 不
½
计 ， 得 机 器 人 通 过 障 碍 物 顶 点 时 离 障 碍 物 太 近甚
½
－ 触 并 且 搜 索 时 间 长 ， 于 Ｎ 条 连线 的搜 索 时 间
至接
对
为 ０ （ ）１ ．Ｖ½ ½ ½
Ｎ２ Ｌ
“
½ ½ ½ ½ ½½½ 法 和 Ｔ ½ ½ ½
Ｄ½ ½
½
½ ½ ½
Ｇ½½
½ ½法 ［½ 可 视 图法 进 行 了改 进 ；
１对
５
自由 空 间 法 应
用 于 机 器 人 路 径 规 划 ， 用 预 先 定 义 的 如 广 义 锥 ½
采
和 凸 多 边½ ½ ½ 基 本 ½ 状 构 造 自 由空 间 ， 将 自由
等
６
并
空 间表 示 为 连 通 图 ， 过 搜 索 连 通 图 来 进 行 路 径 规
通
划 ． 法 比较 灵 活 ， 始 点 和 目标 点 的 改 变不 会 造 成
该
起
连 通 图 的 重 构 ， 算 法 的复 杂 程 度 与 障 碍 物 的 多 少
½
成 正 比 ， 不 是 任 ½情 况 下 ½ ½ 获 得最 短 路 径 ； 格
且
栅
法 ［½ 机 器 人 工½ 环 境 分解 成 一 系 列具 有 二值 信 息
１将
的 ½格 单 元 ， 采用 四叉 树 或 八叉 树 表示 工 ½ 环 境．
多
移 动 机 器人 的多 传 感 器信 息 融 合 方 面 的研 究 始
于８
Ｏ年 代 ．
多传 感 器 融 合乜 ½ 常 用 方 法 有 ： 权 平
５的
加
均 法 、 叶斯 估 计 、 尔 曼 滤 波 、 计 决 策理 论 、 —
贝
卡
统
ＤＳ
证 据 推 理 、 经 ½络 和 模 糊 推 理 法 以及 带 ½ 信 因子
神
的 产 生 式 规 则 ． 中加 权 平 均 法 是 最 简 单 也 最 直 观
其
并 通 过 优 化 算 法 完 成 路 径 搜 索 ． 法 以栅 格 为 单 ½
该
记 ½环 境 信 息 ， 境 被 量 化 成 具 有 一 定 分 辨 率 的栅
环
格 ， 格 的 大 小 直 接 ½ 响 着 环 境 信 息 存 储 量 的 大 小
栅
和规 划 时 间 的长 短 ． 格 划 分 大 了， 境信 息存 储 量
栅
环
小 ， 划 时 间 短 ， 分 辨 率 下 降 ， 密 集 环 境下 发 现
规
½
在
路 径 的½ 力 减 弱 ； 格 划 分 小 了 ， 境 分 辨 率 高 ，
栅
环
在
的方 法 ，
一般 用 于对 动态 ½ 水 平 的数 据 进 行 处 理 ，
½
结 果 不 是 统 计 上 的最 优 估 计 ； 叶 斯 估 计 是 融 合 静
贝
态 环 境 中多 传 感 器 ½ 层 数 据 的常 用 方 法 ， 用 于 具
适
有 高斯 ½噪 声 的不 确 定 性 传 感 信 息 融 合 ； 于 系 统
对
噪声 和 观 测 噪声 为 高 斯 ½噪声 的线 性 系统 模 型 用 卡
尔 曼滤 波 （
ＫＦ） 融合 动态 ½ 层 次 冗½ 传 感 信 息 ，
来
对
于 非线 性 系 统模 型采 用 扩 展 卡 尔 曼 滤 波 （
ＥＫＦ 或 者
）
分 散卡尔曼滤波 （
ＤＫＦ ； 计 决 策 理 论 用 于 融 合 多
）统
密 集 环 境 下 发 现 路 径 的 ½ 力 强 ， 环 境 信 息 存 储 量
½
大 ， 划 时 间长 ， 以采用 改 进 的 栅 格法 ［½
规
可
１ 弥补 栅 格
。
法 的不 足 ． 径 搜 索 策略 主要 有 ： ＊算 法［ Ｄ ＊最
路
Ａ
１
、
优算 法 等．
局 部 路 径规 划 的 主要 方 法 有 ： 工 势场 法 （ ½
人
Ａ½½
—
维普资讯
http://www.cqvip.com
４８
７
机
器
人
２０
０ ２年 ９月
个传感器 的同一种数据 ， 用 于图像观测数据 ； Ｓ
常
Ｄ—
证 据 推 理 是 贝 叶斯 估 计 法 的扩 展 ， 将 局 部 成 立 的
它
½ 结 构 设 计 、 感 器 融 合 技 术 、 智 ½ ½ 系 统 、 时
传
多
实
规 划 和 推 理 和 基 于 ½ 络 的 三 维 图 ½ 交 互 等．
前 提 与全 局 成 立 的 前 提 分 离 开 来 ，
以处 理 前 提 条 件
Ｒ½ ½ ½
½ Ｃ ½比赛 自 １ ９
９ ７年 在 日本 Ｎ½ ½ ½举 办 的第 一
½½
届 以来 已经 举 办 了五 届 ． ½ ½ ½
Ｒ ½ Ｃ ½的 比赛 水 平 直 接
反 映 了机 器 人 与 智 ½控 制 技 术 的 研 究 水 平 ． 时 ，
同
其
产 生 的 ½ 际½ 响 又 大 大促 进 了机 器 人 与 智 ½ 控 制技
术 的研 究 与发展 ．
不 完 整 的 信 息 融 合 ； 于神 经 ½ 络 法 根 据 系 统 要 求
基
和融 合 ½ 式 ， 择 ½ 络 拓 扑结 构 ， 过 ½络 学 习 确定
选
通
½ 络连 接 权 值 ， 各 传 感 器 的输 入 信 息 进 行融 合 ．
对
系
统 具 有 很 强 的容 错 性 和 鲁 棒 性 ； 糊 推 理 法 首 先 对
模
多 传 感 器 输 出进 行 模 糊 化 ， 所 测 得 的 距 离 等 信 息
将
分级 ，
表示 成 相 应 的模 糊 子 集 ， 确 定 模糊 子集 的隶
并
４ 仿 生 学 与 机 构 的 研 究 （ ½ ½½ ½½½ —
Ｔ ½½½ ½ ½ ½½
½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ）
½ ½ ½ ½ ½½
属 度 ½数 ， 过融 合算 法 对 隶 属 度 ½数综 合 处 理 ，
通
再
将模 糊 融 合 结果 清 晰化 ， 出融 合 值 ； ½ 信 因 子 的
求
带
产 生 式 规 则 主要 用 于 符 号 水平 层 表 达 传 感 器 信 息 ，
结合 专 家系 统对 多 传感 信 息进 行 融合 ．
３ ３ 多机器 人 系统与 机 器人 足球
．
多 机器 人 系统 的研 究 始 于 ２
Ｏ世纪 ７
０年代 ． 着
随
近 年 来 ， 球 许 多机 器 人 研 究 机 构 ½ 开 展 了仿
全
生 学 与 机 构 的 研 究 工 ½． 生 态 学 基 础 上 ， 究 昆
在
研
虫 、 行 动 物等 自然 界 生 物 的各 种 生 存 策 略 与 ½ 态 ，
爬
如 ： 蚁 的群 ½ 协 ½ 、 食 、 线 跟 踪 与 搜 索 和 信 息
蚂
觅
路
传 递 等 策略 ， 蜂 的 定½ 和采 粉 策 略 ， 的爬 行 动态
蜜
蛇
等 ， 各种 生物 的特长 再现 于机 器 人上．
将
ＮＡＳ 的
Ａ
Ｓ ½ ½½
½ ½ ½ ½蛇½ 机器 人 ， 够 穿 梭 在 受 灾 现 场 的瓦 砾
½
狭缝之中，
寻找 幸 存 者 ． 蛇½ 机器 人 由 于 重 心½ 且
该
完全 模 仿 蛇 的 动½ 因而 行 动灵 敏 、 棒 性 ½ ， 以用
鲁
可
于 受 灾 现 场生 还 者 的 寻 找 和 军 事 侦 察 ； ＯＮＹ 公 司
Ｓ
１９
９ ９年 推 出 的宠 物 机 器 狗 Ａ½½具 有 喜 、 、 、 、
½
怒 哀 厌
惊 和 奇 ６ 情 感状 态 ． ½爬 行 、
种
它
坐立 、 展 和 打 滚 ，
伸
机 器 人 应 用 领 域 的 不 断 拓 展 、 器 人 工 ½ 环 境 复 杂
机
度、
任务 的加 重 ， 机 器 人 的 要 求不 再 局 限 于 单 个 机
对
器人，
多机器人 的研究 已经成 为机器人学研究 的一
个 热 点 ． 机 器 人 系 统 的 研 究 分 为 多 机 器 人 合 ½
多
（ ½ ½½ ½ ０ ½ ½½½½ 和多 机 器 人 协 调 （ ½ —
Ｍ½½ ½ ½ ½Ｃ ０½½ ½ ）
½
０
Ｍ½½
½
½½ ½Ｃ ½ ½½½½ 两 大类 ， 要 研 究 给 定 一 个 多 机
½ ½ ½ ½ ½½ ）
½
主
器 人 系统 任 务 后 ， ½ 组 织 多 个机 器 人 去 完 成任 务 ，
如
如 ½分 解 和 分 配 任务 以及 如 ½ 保持 机 器 人 之 间 的 运
动 协 调 一致 ．
近年 来 ， 际上 很 多研 究 机 构 在 该 方 面
½
的 研 究 取 得 了 一 定 的成 果 ． ½ Ｏ½ ½ ½½家 试
美
½Ｒ½½
而 且 摔倒 后 可 立 即爬 起 来 ． Ａ½½的 头 部 内 ½有 用
在
½
于视 觉 的 １ ０ ０ ０像 素 的½ 色 ＣＣ 摄 像 机 、 音 输
８ ，０
Ｄ
语
入 和 输 出 的微 型麦 克 风 和 扬 声 器 、 外 避 障 传 感 器
红
和 触觉 传 感器 ． ½ 的身 上 除 了装 有 ６
Ａ½½
４½ ＲＩＣ处
Ｓ
理器 、 ６
１ ＭＢ内存用 于 处 理传 感 器 所输 入 的 数 据和 控
验 室 的 Ｃ ½ ½½½½Ｒ½ ½½
½ ½ ½½ ½ ½ ½实 验 系 统 ［½ 究 的 协
½
½
２研
６
½ 机 器 人 是 集 成 了感 知 、 理 、 ½ 的 智 ½ 系 统 ，
推
动
着
重 研 究在 环 境 未 知 且 在任 务 执 行 过程 中环 境 动 态 变
化 的 情 况 下 ， 器 人 如 ½ 协 ½ 完 成 任 务 ． ½ ＵＳ
机
美
Ｃ
大 学 Ｓ ½ ½ ½½
½ ½ ½ Ｍ½ ½
½½
½和 Ｔ½ ½ ½ ￣ ３ 验 系 统
½Ｎ½½Ｈ½½２ 实
７
制 自身 个 关 节 部 ½ 的 动 ½ 外 ， 装 有 保 持 平 衡 的 重
还
力 加 速 度 传 感 器 和 角 速 度 传 感 器 、 及 感 知 自身 温
以
度 的温 度 计 ； 田公 司 １ ９
本
９ ７年 研 制 的 Ｈ½ ½ ３类
½ ½Ｐ
人 机 器人 代 表 着 ½今 世 界 双 足 步 行 机器 人 的最 高水
在 多 机器 人 学 习、 行 为 、 调 与 协½ 等 方 面 开 展工
群
协
½．
日本 Ｎ½ ½ ½大 学 的 Ｃ Ｂ
½½
Ｅ ０Ｔ 系统 ［
２ 研究 ，
的
涉
平 ． ½ 重 １０ 、 １ ６０
它
３Ｋ½ 高 ，０ ½½、 ６０
½ ０½½， ½ 时
工
间 ２ ½ ½ ， 大 步 行 速 度 为 ２ ０
５½½½½ 最
． Ｋ½／ （ 的 步行
½人
速 度 约为 ３ ０
． Ｋ½／ ） Ｐ
½ ． ３的 Ｃ Ｕ 采用 了两 个 主频 为
Ｐ
１０
１ＭＨ½的 Ｍ½ ½ ½½Ⅱ处 理 器 ， 上 装 有 用 于 视 觉
½ ½½
½
身
导 航 的视 觉 传 感器 、 知 自身 姿 态 的陀 螺 仪 、 持 平
感
保
衡 的 重力 加 速 度传 感 器 和 两 个脚 踝 处 的 ６维 力 传 感
器 、 现 语 音功 ½ 的麦 克 风 和扬 声 器 ， 及 用 于测 量
实
以
行 走 时 腿 运 动 的关 节 角 度 传 感 器 ． ３的驱 动 装 ½ 采
Ｐ
及 到 系统 的 ½ 系 结 构 、 讯 、 息 交 互 等 许 多 方 面．
通
信
中½科 学 院沈 阳 自动化 所 的 ＭＲＣ
ＡＳ系统 ［ 多 机
２在
。
器 人 协½ 理 论 研 究 的 基础 上 开 展 多机 器 人 协 ½ 的 实
验研 究 ．
・
机 器 人 世 界 杯 足球 赛 （ ½ Ｃ ½ ［½ 以 Ｍ½ ½
Ｒ½ ½ ½ ）３ 是
￣
½—
½
½ ½ ½系统 （
½½
ＭＡＳ 与 分 布 式 人 工 智 ½ （ ＡＩ 为 主 要
）
Ｄ ）
研 究 背 景 的 ， 主要 目的 就 是 通过 提 供 一 个 标 准 的 、
其
用 １ ８ Ａ½镍 锌 电池 供 电 和 带 有 谐 波 减 速 器 的直
３ Ｖ【
流 伺 服 电机 ． 讯 系 统 采 用 了无 线 以太 ½ （ ½½½
通
Ｗ½ ½½
½
易 于 评 价 的 比赛 平 台 ， 进 Ｄ 与 ＭＡ
促
ＡＩ
Ｓ的 研 究 与
发 展 ． 及 的 研 究 领 域 包 括 ： ½ 机 器 人 系 统 、 ½
涉
智
智
Ｅ½½½ ½ ½ ½½） 讯 ． ½ 够 自主地 动态 行 走 在颠
½ ½ ½ ½½ 通
½
Ｐ３
维普资讯
http://www.cqvip.com
第 ２
４卷第 ５期
李 磊等 ： 移动 机器人技术研 究现状与未 来
４９
７
簸 起 伏 的路 面 上 ， ½ 够 在倾 斜 的路 面 上 动 态 行 走 ，
也
甚 至½ 够 上 、 楼 梯 ，
下
单脚 站 立 ．
究 日本 本 田公 司 的 Ｈ½ ½ ３步 行机 器 人½ 然 代 表
½ ½Ｐ
着 ½ 今 世 界 类 机 器 人 的 最 高 水 平 ， 仍 存 在 供 ½ 时
½
间短 、 走 缓慢 和 语 音功 ½不 完 善 等 方 面 的 问题 ． ３
行
Ｐ
机 器 人 目前 采 用 的镍 锌 电池 只½ 供 给 ２
５分 钟 的 电
５ 移动机器人传感技术常用的传感器 （ ½ ½ ½
Ｔ ½½ ½ ½
½ ½½ ½ ½½½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½½½ ½ ½
½ ½ ½½
½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½
½½
½ ½ ½ ½ ½ ）
½½½ ½½½ ½ ½
量，
电池 的½ 积 、 量 与 其 蓄 电 容 量 相 比 ， 大 而 笨
重
庞
重 ， 不 ½ 满 足 未 来 服 务 步 行 机 器 人 的工 ½ 时 间 要
远
求 ． 研 制 适 用 于移 动 机 器 人 携 带 的蓄 电容 量 大 且
需
移 动 机 器 人 传 感技 术 主要 是 对 机器 人 自身 内部
的 ½ ½ 和 方 向 信 息 以及 外 部 环 境 信 息 的 检 测 和 处
理．
采用 的传 感 器分 为 内部 传 感 器 和外 部 传 感 器 ．
其
中 内部传 感 器有 ： 码 器 、 加 速 度 计 、 螺 仪 、 ½
编
线
陀
磁
盘、
激光 全 局定 ½ 传 感 器 、 Ｓ Ｇ ½ ½ ½ ½½ ½—
ＧＰ （ ½½ ½ ½ ½½ Ｓ ½
Ｐ ½
½ 积 小 、 量 ½ 的 蓄 电 池 ， 解 决 可 携 带 ½ 源 问题 ；
重
以
类 人 机 器 人 的语 音 功 ½ 远 未 达 到 未来 同人 类 共 存 与
合 ½ 所 应 具 备 的语 音 功 ½ ， 要 在 语 音 信 号 特 征 提
需
取 和 模 式 匹配 、 噪 声 以及 语 音 识 别 器 的词 汇 量 扩
抗
½½） 激 光 雷 达 ． 中 编 码 器 粗 略 地 确 定 机 器 人 ½
½ 、
其
½ ； 加 速 度计 获 取线 加 速 度 信 息 ， 而 得 到 ½前 机
线
进
器 人 的 线 速 度 和 ½ ½ 信 息 ； 螺 仪 测 量 移 动 机 器 人
陀
的角度、 速 度、 加速 度以得到机器人 的姿态角、
角
角
运 动 方 向和 ½ 动 时 的运 动 方 向的 改变 等 绝 对航 向信
息 弥 补 应 用 编 码 器 测 ½ ½ 的航 ½ 推 测 法 的 不 足 ；
激
充 等 方 面 ， 行探 讨 ； 人机 器人 的行 走 速 度 同人类
进
类
的行 走 乃 至 奔 跑 速 度还 有 较 大 差 距 ． 要 研 制 ½ 积
需
小 、 量 ½ 驱 动 力 大 的 驱 动 系统 和 完 善 行 走 机 构 来
重
近似 人 类 的 肌 肉和骨 骼 ；
同时 ， 究 自然 界 各 种 生 物
研
的 觅食 、 ½ 及 路 径跟 踪 等 生 态 策 略 ， 人 类 所 不 及
定
将
的 生物 特 长 赋 予机 器 人 ， 制 如 机 器 蛇 、 器 狗 和 机
研
机
器鱼 等 各种 仿 生机 器人 ．
光全 局 定 ½ 传 感 器运 用 三 角 测 量法 得 到 机 器 人 的½
½ 坐标 信 息 ， ＧＰ
与
Ｓ一样 多用 于室 外 移 动 机 器人 定
½． 部传 感 器 有 ： 觉 传 感 器 、 声 波 传感 器 、
外
视
超
红外
传感 器、 触和接 近传 感器． 觉传感 器采用 Ｃ Ｄ
接
视
Ｃ
像 机 进 行 机 器人 的 视 觉 导 航 与 定 ½ 、
目标 识 别 和 地
（ ） 传 感 器信 息 的集 成 融 合 多 传 感 器 信 息 融
３多
合 的 算 法 很 多 ， 多 数 算 法 ½ 是 基 于 线 性 正 态 分 布
½
的 平 稳 随 机 过 程 前 提 下 ， 决 非 线 性 和 非 平 稳 非 正
解
态分 布 的 现实 信息 还有 待 深入 地 研 究．
（）
４ ½络机 器 人 随着 计 算 机 ½ 络 的扩 展延 伸 ，
½
图构 造 等 ； 声 波 传 感 器 测 量 机 器 人 工 ½ 环 境 中 障
超
碍 物 的距 离 信 息 和 地 图构 造 等 ； 外 传 感 器 多采 用
红
红 外 接 近开 关 来 探 测 机 器人 工 ½ 环 境 中 的 障碍 物 以
避免 碰 撞 ；
接触 和接 近传 感器 多用 于避 碰规 划．
络 技术 的发 展 完 善 ， 过计 算 机 ½络 遥 控 机 器 人 ，
通
为
人 机 交 互技 术 、 控 技 术 、 程操 ½ 技 术 和 图像 与 控
监
远
制 ½令 的 ½络 传 输 及并 发 多进 程 数 据 通讯 等通 讯 技
术 提 出 了更高 的挑 战 ．
（）
５ 多机 器 人 系统 目前 多机 器人 系统 的研 究 尚
６ 移 动 机 器 人 主 要 研 究 和 发 展 趋 势 （ ½
Ｔ ½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½½½
½½ ½ ½ ½ ）
½ ½ ½ ½ ½
½
处 于 理 论 研 究 阶 段 ， 于 多 机 器 人 系统 ½ 系 结 构 与
对
协 ½ 机 制 、 息 交 互 以 及 冲 突 消 除 等 方 面 将 是 多机
信
器 人 系统 的 进一 步研 究方 向．
目前 ½ 响 智 ½ 移 动机 器 人 技 术 研究 的 因素 主 要
有：
导航 与 定 ½ 、 讯 、 感技 术 和运 动 控 制 策 略 等．
通
传
步入 ２
１世 纪 ， 着 电子 技 术 的 飞 速 发 展 ， 器 人 用
随
机
传 感 器 的 不 断 研 制 、 算 机 运 算 速 度 显 著 提 高 和 机
计
（ ） 种 机 器 人 移 动机 器 人 在 各 个 领 域 中 的应
６特
用 刺 激 了 特种 机 器 人 的研 究 与 开 发 ． 场上 ，
战
为保 护
士 兵 的 生½ ，
刺激 了无 人 战 ½ 、 雷 机 器人 和 侦察 机
扫
器 人 等 军 用 机 器 人 的 不 断 研 究 ； 民生 活 水 平 的 提
人
器人 应 用 领 域 的进 一 步 扩 大 ， 动 机 器 人 技 术 将 逐
移
渐 地 得 到 完 善 和发 展 ． 动 机 器 人 技 术 的 研 究 与 发
移
展 的趋势 ［
３ 包括 ：
卜
高 促 进 了 娱 乐 机 器 人 、 科 手 术 机 器 人 和 助 残 机 器
外
人 等 民用服 务机 器 人 的开 发．
（ ） 航 与定 ½ 无 论 是 单 个 移 动机 器 人 还 是 多
１导
个 移 动 机 器 人 系统 ，
导航 与 定 ½ 始 终是 一 项 难 题 ．
在
７ 结 论 （ ½ ½½ ½½
Ｃ ½ ½½½ ）
综 上 所 述 ， 动 机 器 人 技 术 已经 取 得 了很 多 可
移
完 全 未 知 或 部 分 未 知 环 境 下 ， 于 自然 路 标 导 航 与
基
定 ½ 技 术 以及 视觉 导航 中路 标 的识 别 和 图像 处理 的
喜 的进 展 ， 究 成果 令 人 鼓 舞 ， 还 远 未 达 到 实 用要
研
½
求． 着 传感 技 术 、 ½ 技 术 和计 算 技 术 等 的不 断 提
随
智
高 ， ½ 移 动机 器 人 一 定 ½ 够 在 生 产 和 生 活 中扮 演
智
人 的角 色．
快速 算 法 的研 究 ， 通 过 专用 数 字信 号 处理 器 （ Ｐ
并
ＤＳ ）
的开 发与 研 制 ， 以为 导航 与 定½ 提 供 突破 性 进展 ．
可
（ ） 生 学 和 类 人 机 器 人 机 构 与 ½ 源 方 面 的研
２仿
京公网安备 11010802033920号
Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved
评论