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1、中国科学技术大学 硕士学位论文 室内服务机器人的导航研究 姓名：何武 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：路巍 2011-05-03 摘 要 I 摘摘 要要 导航一直是移动机器人的热点和难点问题之一，对于服务机器人来说也是 如此， 导航是服务机器人完成各种服务如物体抓取、 辅助行走的先决条件之一， 是实现智能化的关键。本文以中科院重要方向项目“老人服务机器人”为背景， 针对室内服务机器人的导航问题进行了研究，论文的主要包括以下几个方面： 首先，介绍了服务机器人发展历史、我国开展服务机器人研究的作用和意 义，导航在服务机器人相关技术中的作用，以及机器人控制和仿真平台 Pla
2、yer/Stage，并详细介绍了国内外服务机器人的研究现状。 其次，针对室内服务机器人工作环境的特点，本文了采用了静态地图对环 境进行建模，并将其作为先验知识。考虑到机器人并不知道自己的初始位姿， 采用了基于蒙特卡洛(MCL)的全局的定位方式， MCL 使用粒子滤波器采用统计 的、基于采样的方法描述整个空间的概率分布，通过重采样，对权值较小的粒 子少采样，对权值较高的粒子多采样，控制粒子的数量和分布，该算法并不会 随时间的增加不断的将误差进行累积，具有较好的定位效果。 在局部避障方面，采用了 VFH 的改进算法 VFH+，VFH+使用四步数据缩 减法代替 VFH 的两步缩减法来计算新的移动方向
3、，理论和实验都表明，VFH+ 是一种较好的局部避障算法， 然而在某些情况下， 机器人可能会陷入局部死区， 本文随后介绍了将 A*算法引入 VFH+的 VFH*算法，以解决该问题。 对于全局路径规划问题，本文采用了 Wavefront 全局路径规划算法，机器 人通过使用从目标的发出的波浪，无碰撞地朝目标点移动，使用 Wavefront 算 法，机器人不会陷入任何局部最小，并且永远选择到达目标的最短路径。 在 Player/Stage 平台上，仿真和实现了上述算法，分析了算法的有效性， 并将其应用到实际的机器人系统中。 最后，对本论文进行了总结，提出了论文中的不足之处，并给出了可能的 解决方案。
4、关键词：关键词： 服务机器人 导航 MCL VFH+ VFH* Wavefront Abstract II ABSTRACT Navigation is one of the most hot and difficult problems of the mobile robot, as well as service robot, navigation is the prerequisites to complete a variety of services for service robot such as grabbing objects and walking aid , and th
5、e key to its intelligent. This paper is based on “Service Robots for The Elderly“ which is the main direction program of Chinese Academy of Sciences and the indoor service robot navigation problems were investigated, the paper includes the following aspects: First of all, introduced the history of s
6、ervice robots, the role and meaning for the Country, the role of navigation to the service robot related technologies, robot control and simulation platform of Player/Stage, and present research situation of home and abroad of service robot were described in detail. Second, for the indoor service ro
7、bot working environment, this paper uses a static map as the model of the environment, and as a priori knowledge. Since the robot does not know its initial position and orientation, we using a Monte Carlo Localization(MCL) based global positioning, MCL using the particle filter which using statistic
8、al-based sampling method to describe the probability distribution of the entire space, less samples for the small weighted particles and more samples for the higher weighted particles by re-sampling, control the number and distribution of particles, the algorithm does not accumulate errors over time
9、, result in better positioning performance. In the local obstacle avoidance problem, we use the improved algorithm of VFH called VFH+, VFH+ using the four-stage data reduction instead of VFH two-stage reduction to calculate the new direction of movement, theory and experiment have shown that VFH+ is
10、 a good local obstacle avoidance algorithm, but under some conditions, robot may trap into the local dead-end, the paper then describes the VFH* algorithm which combines the A* algorithm to VFH+ to solve the problem. For global path planning problem, we use Wavefront global path planning algorithm,
11、the robot using of waves expansion from the target moving towards the target point without collision. Using the Wavefront algorithm, the robot will not fall Abstract III into any local minimum, and always choose the shortest path to reach the goal. In the Player/Stage platform, we implementation and
12、 simulation of the above algorithms, analyze the validity and apply them to real robot system. Finally, we summarize this paper; put forward its shortcomings, and present possible solutions. Key Words: Service Robot, Navigation, MCL, VFH+, Wavefront 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的
13、 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅， 可以将学位论文编入 中 国学位论文全文数据库等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。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文
14、在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第 1 章 绪论 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 引言 移动机器人的研究始于 20 世纪 60 年代末，斯坦福研究院（SRI）的 Nils Nilssen 和 Charles Rosen 等研究人员研制了移动机器人 Shakey，目的是研究人 工智能在复杂环境中的自主推理规划和控制（李磊，2002） 。80 年代中后期， 许多国家开始有计划的开展移动机器人研究，1987 年美国 Hughes 人工智能中 心首次进行了移动机器人越野实验，Stanford 大学的移动机器人能够在立体制 导系统
15、引导下慢速步行张明路 2004。90 年代以来，以高水平环境传感器、高 适应性移动机器人控制技术和真实环境下的路径规划技术为标志，开展了移动 机器人更高层次的研究。 近年来，随着科技的发展和社会的进步，服务机器人越来越受到人们的重 视。首先服务机器人的发展是社会发展的需要，考虑到我国日趋严重的人口结 构老龄化和一大批行动不方便的残疾人等社会问题，开发家庭服务机器人显得 非常必要。目前服务于老年人和残疾人使用的产品总体上智能化水平较低、功 能也比较单一，国际上虽然出现了个别高水平产品，但是价格高昂，普通人难 以接受，国内也极少见到。其次，服务机器人的研究和开发是我国科技发展的 战略要求。服务机器
16、人在美、日、欧等发达国家获得了较为深入研究和广泛应 用， 这是因为机器人不仅将形成一个大的产业， 而且将代表国家的综合国力等， 具有重要的战略意义（田国会，2007） 。 目前服务机器人的初步定义为一种半自主或全自主工作的机器人，它能完 成有益于人类健康的服务工作但不包括从事生产的设备。室内服务机器人是指 在室内环境工作能够自主移动的智能机器人，服务机器人通常是可以移动的， 在某些情况下服务机器人可以由装有一只或几只手臂的移动平台构成，控制方 式与工业机器人手臂的控制方式相同(陆新华，2003)。 在服务机器人的相关研究和开发中，自主导航是一项核心技术，是机器人 顺利完成各种服务（如物体抓取、辅助行走）的基本环节之一，也是移动机器 人研究领域中的重点和难点。服务机器人的导航是指机器人通过传感器感知自 身状态和环境信息，实时识别人为地标或具体的实物，在有障碍或无障碍的环
