一、課題研究背景

機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展極大地提高了工農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)效率，深刻地改變了人類的生活面貌。機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動(dòng)控制最有說(shuō)服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化。上世紀(jì)五十年代在美國(guó)誕生了世界上第一臺(tái)機(jī)器人，從此機(jī)器人真正的走進(jìn)了人們的生活。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、超大規(guī)模集成電路、控制理論、人工智能、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)器人學(xué)的研究也步入一個(gè)嶄新的階段。從早期的可編程的、示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人到具有一定傳感和適應(yīng)能力的機(jī)器人，再到配備多種先進(jìn)傳感器，具有智能的機(jī)器人，機(jī)器人學(xué)的研究經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，功能單一到功能多樣，從工業(yè)制造領(lǐng)域擴(kuò)展到軍事偵察、核工業(yè)、航空航天、服務(wù)業(yè)、醫(yī)療器械、基因工程、社會(huì)服務(wù)、娛樂(lè)等領(lǐng)域的過(guò)程。在人類對(duì)宇宙的探索領(lǐng)域，美國(guó)的“勇氣”號(hào)登陸火星進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)，中國(guó)“嫦娥一號(hào)”繞月探測(cè)，代表了目前機(jī)器人的最高技術(shù)水平。在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，機(jī)器人技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛、深入。

當(dāng)前，機(jī)器人正朝著智能化和多樣化等方向發(fā)展，應(yīng)用范圍得到了極大的擴(kuò)展。隨著國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器人研究的不斷深入，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器人，并推出了各種樣機(jī)，如移動(dòng)機(jī)器人、微型機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、服務(wù)娛樂(lè)機(jī)器人、仿人機(jī)器人等。

移動(dòng)機(jī)器人是最具代表性的一種機(jī)器人。它集中了傳感器技術(shù)，機(jī)械工程，電子工程，自動(dòng)化控制工程，圖像實(shí)時(shí)處理，計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，代表機(jī)電一體化的最高成就。因此，多學(xué)科交叉而形成的機(jī)器人學(xué)研究也進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。移動(dòng)機(jī)器人具有重要的軍用和民用價(jià)值，而且其在惡劣的環(huán)境下也具有極其廣泛的應(yīng)用。例如：自動(dòng)排雷機(jī)器人，用于深海海底勘探的水下機(jī)器人，無(wú)人駕駛的智能車，礦井中煤炭挖掘機(jī)器人以及石油和天然氣的勘探機(jī)器人等等。

移動(dòng)機(jī)器人要想走向?qū)嵱帽仨殦碛心軇偃蔚倪\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有既安全又友好地與人一起工作的能力，此外移動(dòng)機(jī)器人的智能性也是決定其應(yīng)用前景的關(guān)鍵因素。一般來(lái)說(shuō)，智能機(jī)器人應(yīng)具備感知、思維和靈巧動(dòng)作三個(gè)相互作用的基本功能，評(píng)價(jià)一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人智能程度的指標(biāo)包括自主性、適應(yīng)性和交互性等條件。自主性是指機(jī)器人能根據(jù)工作任務(wù)和周圍環(huán)境情況，自己確定工作步驟和工作方式；適應(yīng)性是指機(jī)器人具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力（主要通過(guò)學(xué)習(xí)），不但能識(shí)別和測(cè)量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，及做出正確的判斷并操作和移動(dòng)等能力；交互性是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人及機(jī)器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。

二、課題研究概述

機(jī)器人涉及到的技術(shù)復(fù)雜并不斷擴(kuò)展，如多傳感器信息融合、路徑規(guī)劃、機(jī)器人視覺(jué)、智能人機(jī)接口等，為此，產(chǎn)生了一系列研究課題。

路徑規(guī)劃是機(jī)器人學(xué)研究中非常重要的一個(gè)部分，不管在科研、經(jīng)濟(jì)、軍事上都有著重要意義。因此，國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家圍繞路徑規(guī)劃展開(kāi)的研究非常多，從算法設(shè)計(jì)、算法分析、仿真實(shí)驗(yàn)等各方面開(kāi)展研究。

2.1?移動(dòng)機(jī)器人簡(jiǎn)介

機(jī)器人是現(xiàn)今高科技發(fā)展的代表方向之一，就其發(fā)展來(lái)看大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：

第一階段是可編程的示教再現(xiàn)型機(jī)器人。它不配備任何外部傳感器，一般采用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，示教再現(xiàn)控制和可編程控制，機(jī)器人的作業(yè)路徑或運(yùn)動(dòng)參數(shù)都需要示教或編程給定，它無(wú)法感知環(huán)境的改變而改善自身的性能、品質(zhì)。

第二階段是具有一定的感知功能和一定適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人。這種機(jī)器人配備了簡(jiǎn)單的內(nèi)部傳感器，能感知自身運(yùn)動(dòng)的速度、位置、姿態(tài)等物理量，并以這些信息的反饋構(gòu)成閉環(huán)控制；簡(jiǎn)單的外部傳感器如簡(jiǎn)易視覺(jué)、力覺(jué)傳感器等，因而具有部分適應(yīng)外界環(huán)境的能力。

第三階段是智能型機(jī)器人。目前尚處于研究和發(fā)展之中，它具有多種外部傳感器組成的傳感系統(tǒng)，可通過(guò)對(duì)外部環(huán)境信息的獲取、處理，準(zhǔn)確地描述外部環(huán)境，能自主地完成某一項(xiàng)任務(wù)。一般地，它擁有自己的知識(shí)庫(kù)、多信息處理系統(tǒng)，可在結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中工作，能根據(jù)環(huán)境的變化做出對(duì)應(yīng)的決策。