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1、北 京 科 技 大 学研 究 生 毕 业 设 计 (论 文 )选 题 报 告题 目 ： 基 于 蚁 群 算 法 与 人 工 势 场 法的 机 器 人 路 径 规 划 学 院 ： 自 动 化 学 院 专 业 ： 控 制 工 程 姓 名 ： 田 泽 文 学 号 ： G20148523 指 导 教 师 签 字 ： _年 月 日北 京 科 技 大 学 研 究 生 毕 业 设 计 (论 文 )选 题 报 告- -1目 录1 课 题 研 究 的 目 的 与 意 义 .22 文 献 综 述 .32.1 国 内 外 研 究 现 状 .32.1.1 本 课 题 国 内 研 究 进 展 .32.1.2 本 课 题
2、 国 内 研 究 进 展 .43 研 究 内 容 、 预 期 目 标 及 研 究 方 法 .53.1 研 究 内 容 .53.2 研 究 方 法 .53.3 预 期 目 标 .73.4 技 术 难 度 .74 进 度 安 排 .8参 考 文 献 .9北 京 科 技 大 学 研 究 生 毕 业 设 计 (论 文 )选 题 报 告- -21 课 题 研 究 的 目 的 与 意 义机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。机器人作为人类的一种新型的生产工具在提高生产效率、降低劳动强度、扩展工作区域，从危险、复杂、恶劣的情
3、况下将人类的劳动力解放出来的过程中显示出了极大的优越性。随着机器人的研究的逐步深入，现代的机器人更是感知、决策、行动和交互技术的高度有效结合的产物。根据应用领域的不同，机器人可以分为移动机器人、医疗机器人、空中机器、水下机器人、军用机器人等各种智能机器人，它们在外形上己远远不再是最初仿人形机器人和工业机器人，而是根据不同的特殊应用领域而制定的。移动机器人自主导航包含的问题有：机器人定位，机器人路径规划以及机器人的运动控制。移动机器人的路径规划在其中占据着主导的地位，也是各领域各学科研究的重点，是衡量机器人性能指标的一大主要研究方向。移动机器人路径规划具体是指在环境中存在障碍物的情况下，机器人按
4、照一定的评价标准在一定时间内获得一条从运动起点到目标终点的没有碰撞的较优路径。机器人的路径规划问题从上世纪 70 年代就得到了诸多学者和专家的重点关注。路径规划规划算法的运算复杂度、稳定性，间接影响着机器人的工作效率，结果的优劣同样影响着机器人动作的准确性和实时性。所以说，路径规划是实现机器人自主导航问题中最至关重要的一部分。一个好的路径规划应该能在较短的时间内找到一条较优的路径，该路径不但可以避开环境中的障碍物而且还能处理环境中未知情况。北 京 科 技 大 学 研 究 生 毕 业 设 计 (论 文 )选 题 报 告- -32 文 献 综 述2.1 国 内 外 研 究 现 状2.1.1 本 课
5、 题 国 内 研 究 进 展早在 20 世纪就有科学家预测：20 世纪的核心作战武器是坦克，21 世纪的核心作战武器重心则会转移向无人作战系统发展。从上个世纪 60 年代末开始，以美国为首的发达国家就已经对智能机器人展开了着重的研究工作，Nils Nilsson 和Charles Rosen 等 2人，于 1966 年至 1972 年间在斯坦福研究院(SRI )研制了名为Shakey 的自主移动机器人，用于在复杂环境下的自主推理、规划和控制。在此期间著名的 General Electric Quadruped3的步行机器人也被研制成功，开辟了步行机器人的研究领域。进入 70 年代，随着计算机和
6、传感器领域的迅速发展，移动机器人的研究进入了一个新的高潮，日本早稻田大学研制出具有仿人功能的两足步行机器人。为适应原子能利用和海洋开发的需要，极限作业机器人和水下机器人也以较快的速度发展起来。美国国防高级研究计划局(DARPA )专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划，揭开了室外移动机器人研究的序幕。如 DARPA 的“战略计算机”计划中的自主地面车辆(ALV)计划( 1983-1990 );能源部制定的为期 10 年的机器人和智能系统计划 RIPS(1986-1995)，以及后来的空间机器人计划;欧洲尤里卡中的机器人计划和日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划等 4。进入 20 世纪
7、以后以美国为代表在军用和民用领域对于机器人的研究处于迅猛发展的阶段，机器人被广泛应用于各个领域之中。在移动机器人路径规划方面，W. E. Howden 于 1968 年提出了栅格法来对路径规划进行研究 2。在进行路径规划的时候将地图划分成为大小相同的若干个小的栅格，将存在障碍物的栅格均划分出来，在处理不规则障碍物的时候就有良好的适应性。在划分栅格的时候，划分的栅格越多，障碍物的表示会越精确，但同时占用的存储空间也会相应增加,算法的搜索范围将按指数增加。栅格的粒度太大，规划的路径会很不精确。所以栅格粒度大小的确定,是栅格法在实际应用中的主要问题。人工北 京 科 技 大 学 研 究 生 毕 业 设
8、 计 (论 文 )选 题 报 告- -4势场法是 Khatib 于 1986 年首次提出的，由于其计算简便，实时性强等优点，许多学者都先后研究发展这一方法，并将其应用于机器人的实时路径规划和运动控制中。人工势场法路径规划技术的基本思想是把机器人在环境中的运动视为一种机器人在虚拟的人工受力场中的运动。障碍物对机器人产生斥力，目标点对机器人产生引力，引力和斥力的合力作为机器人的控制力，从而使机器人避开障碍物而达到目标位置4。人工势场法,具有反应速度快、计算量小和实时性等优点，但同时这种方法也存在弊端，比如当障碍物与目标点处于机器人的同一连线上时容易产生局部极值点, 导致机器人停止移动, 无法到达目
9、标区域，其另一个重要缺点就是它只根据障碍物和机器人的位置生成作用力, 而无法考虑机器人的速度，在机器人快速移动时可能会出现计算失败的情况 5。2.1.2 本课题国内研究进展国 内 对 移 动 机 器 人 的 研 究 起 步 较 晚 ， 但 随 着 机 器 人 的 不 断 发 展 我 国 也 在 移 动 机器 人 研 究 领 域 开 展 了 大 量 的 工 作 。 随 着 我 国 经 济 水 平 的 快 速 发 展 ， 对 于 机 器 人 的 研 究 也越 来 越 重 视 ， 诸 多 国 内 学 者 对 于 机 器 人 展 开 了 大 量 深 入 的 研 究 工 作 。 最 早 国 内 关 于
10、这 方面 研 究 于 20 世 纪 80 年 代 末 。 但 即 便 如 此 由 于 我 国 在 机 器 人 领 域 的 研 究 起 步 相 对 较 晚 ，经 济 条 件 相 对 不 足 ， 其 发 展 水 平 与 发 达 国 家 比 较 仍 然 有 一 定 的 差 距 。北 京 科 技 大 学 研 究 生 毕 业 设 计 (论 文 )选 题 报 告- -53 研 究 内 容 、 预 期 目 标 及 研 究 方 法3.1 研 究 内 容路径规划是移动机器人自动寻径问题中需要解决的最为关键也最为重要的问题，本课题的设计任务就是研究如何利用蚁群算法以及人工势场法为移动机器人进行路径优化，在起始点与
11、目标点直接找到一条路径较短，用时最快的避障路线。主要研究内容包括：（1）了解目前常用移动机器人路径规划算法的基本思想及其特点。（2）弄清蚁群算法的基本原理及具体实现方法。（3）对蚁群算法进行必要的改进。（4）用 C（或 MATLAB）语言编制程序，进行路径规划算法的仿真研究。3.2 研究方法3.2.1 蚁群算法概述现阶段越来越多的学者专家对仿生智能算法进行研究探讨，如模拟生物界中的遗传规律和自然选择的遗传算法、模拟蚂蚁群体觅食行为的蚁群算法等。意大利学者 Marco Dorigo 和他的同事受自然界中真实蚂蚁群体行为的启发，于 1991 年首次提出蚁群算法(Ant Colony Optimization ACO)这个新型的启发式路径搜索算法概念。经过长期研究发现每只蚂蚁在外出寻找食物源、搬家等行为过程中都能够在所经过的路径上释放一种称之为信息素的分泌物，蚁群之间通过这种信息素相互通信和路径选择，同时蚁群会自发的向信息素浓度高的方向移动。随着时间的推移，蚁群之间的集体行为表现出正反馈现象，当某一条路径上走过的蚂蚁数量越多，积累的信息素浓度越大，随后越多的蚂蚁选择该路径，释放的信息素浓度进一
