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1、 2007年 3月 31日 机 器 人 技 术 与 应 用 2 90 . 引言移动机器人是一个集环境感知，动态决策与规划， 行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。 它集中了传感器技术， 机械工程， 电子工程， 计算机工程， 自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业，农业，国防，医疗，服务等行业中得到广泛的应用，而且在排雷，搜捕，救援，辐射和空间智能移动机器人技术现状及展望 摘 要 智能移动机器人技术涉及到机器人导航与定位，路径规划，运动控制等。本文综述了移动机
2、器人技术的历史， 现状以及未来。 首先简要回顾了移动机器人的发展历史， 介绍了移动机器人主要体系结构。 其次详细论述了移动机器人的主要导航技术， 路径规划技术以及多传感器信息融合技术， 并指出它们优缺点。 最后指出基于硬件电路图像处理的视觉导航技术， 高智能情感移动机器人等技术是移动机器人发展趋势。关 键 字 导航；路径规划；多传感器信息融合；细胞神经网；高智能情感移动机器人 Abstract T h e t e c h n o l o g i e s o f i n t e l l i g e n t m o b i l e r o b o t s i n v o l v e r o b o
3、 t n a v i g a t i o n a n d l o c a l i z a t i o n , p a t h p l a n n i n g , m o t i o n c o n t r o l , e t c . T h e h i s t o r y , p r e s e n t s i t u a t i o n a n d f u t u r e o f m o b i l e r o b o t s t e c h n o l o g y a r e s u m m a r i z e d . F i r s t l y , w e b r i e f l y r
4、 e v i e w d e v e l o p m e n t h i s t o r y o f m o b i l e r o b o t s , a n d i n t r o d u c e m a i n s y s t e m f r a m e w o r k s o f m o b i l e r o b o t s . S e c o n d l y , t h e m o b i l er o b o t s t e c h n o l o g i e s o f n a v i g a t i o n , p a t h p l a n n i n g a n d m
5、u l t i - s e n s o r i n f o r m a t i o n f u s i o n a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l . I n a d d i t i o n , t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e s e a l g o r i t h m s a r e p o i n t e d o u t . F i n a l l y , w e i n d i c a t e t h a t s o m e t e c h
6、n o l o g i e s i n c l u d i n g h i g h - i n t e l l i g e n t e m o t i o n m o b i l e r o b o t a n d v i s i o n n a v i g a t i o n b a s e d o n h a r d w a r e c i r c u i t i m a g e p r o c e s s a r e t h e t r e n d o f m o b i l e r o b o t t e c h n o l o g y . Keywords n a v i g a t
7、 i o n ; p a t h l o c a l i z a t i o n ; m u l t i - s e n s o r i n f o r m a t i o n f u s i o n ; c e l l u l a r n e u r a l n e t w o r k ; h i g h - i n t e l l i g e n t e m o t i o n m o b i l e r o b o t作 者 简 介 徐国保，男， （1 9 7 6） ，江西德兴人，博士研究生，讲师。主要研究方向为数字图像信息的隐藏，移动机器人视觉，多信息融合技术等。? 徐国保1 , 2
8、尹怡欣1 周美娟21 北京科技大学信息工程学院 2 广东海洋大学信息学院栏目主持：王 伟Zong shu综 述3 0 2007年 3月 31日 机 器 人 技 术 与 应 用 领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。本文首先简要回顾移动机器人的发展历史及现状，论述移动机器人主要体系机构，详细介绍了移动机器人的主要导航技术，路径规划技术以及多传感器信息融合技术，最后指出了移动机器人研究热点和发展趋势。1 . 移动机器人的发展历史移动机器人的研究可以追溯到2 0 世纪6 0 年代。斯坦福大学研究所成功地研制一种典型的自主移动机器人 S h a k e y
9、 。它具有在复杂环境下，对象识别，自主推理，路径规划及控制功能。与此同时，以G e n e r a l E l e c t r i c Q u a d r u p e d 为代表的步行机器人也研究成功。它能在不平整，非结构化环境中运动。7 0年代末，随着计算机技术的发展和应用，以及传感器技术的发展，移动机器人的研究又出现新的高潮。特别是8 0 年代开始，美国国防部D A R P A 的支助下，由C M U , S t a n d f o r d 大学和M I T 等单位开展的A L V 研究；能源部制定的为期1 0年的机器人和智能系统计划， 以及后来的空间机器人计划 ； 日本通产省的极限环境下
10、作业机器人计划和人形机器人计划；欧洲尤里卡中心的机器人计划等。 除此之外， 很多世界著名公司不惜投入重金，纷纷开始研究移动机器人。 进入9 0 年代后， 随着技术的迅猛发展，移动机器人向实用化、 系列化、 智能化进军。 涌现出许许多多智能移动机器人。 如C M U的N a v l a b 系列移动机器人系统；德国V a m o r s - P 和C a r a v e l l e 系统；日本本田公司的P 系列和A S I M O人型机器人； 日本索尼的S D R - 3 X 人型机器人和A I B O娱乐型机器人等代表着移动机器人各个方面的先进研究成果。我国移动机器人是从八五期间开始这方面研究
11、。 同世界主要机器人大国相比， 尽管我国在移动机器人的研究起步比较晚，但是发展却是很迅速。对于一些室外移动机器人的某些关键技术达到了或者接近国际先进水平 2 。 国内移动机器人主要研究成果如下：清华大学的智能移动机器人T H M R - ,型机器人；中科院沈阳自动化所的A G V 自主车和防爆机器人 ； 香港城市大学的自动导航车及服务机器人；哈尔滨工业大学的导游机器人；中科院自动化所的全方位移动式机器人视觉导航系统 ；国防科技大学的双足机器人；由南京理工大学，北京理工大学， 浙江大学等多所院校联合研究的军用室外移动机器人。此外国内还有北京航空航天大学，北京科技大学，西北工业大学等院校也进行移动
12、机器人的研究。2 . 智能移动机器人的体系结构智能移动机器人具有感知工作环境，任务规划能力和决策控制能力。 它包括感知， 规划和执行三种基本要素的体系结构。目前移动机器人有三种体系结构：分级结构， 反应结构和慎思/ 反应混和结构， 如图1 所示。 早期的移动机器人大多数采用分级图1 移动机器人的体系结构栏目主持：王 伟Zong shu综 述2007年 3月 31日 机 器 人 技 术 与 应 用 3 1结构，如图1 ( a ）所示。这种体系结构的优点是给出了感知，规划和执行之间关系的次序；缺点是在于规划部分， 感知， 规划算法慢， 执行响应时间长。反应结构在1 9 8 8 年到1 9 9 2
13、年间在移动机器人中得到广泛的应用。它舍弃了所有规划部分，如图1（b ） 所示， 是一种感知执行 （S A ） 的组织结构。反应式优点是行为的执行时间快；缺点是由于舍弃了规划部分，路径可能不是最优的。慎思/ 反应混和结构是在反应结构基础上发展起来的，如图1 （c ）所示。它出现于2 0 世纪9 0 年代，至今仍是研究的热点。运用异步处理技术，使得混和式结构可以独于反应式行为而自主执行。良好的软件模块化使得混和结构中的子系统或对象可以针对特定的应用进行组合与匹配。3 . 移动机器人的关键技术3 1 移动机器人的导航技术导航技术是移动机器人的一项核心技术之一。它是指移动机器人通过传感器感知环境信息和
14、自身状态， 实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动。目前，移动机器人主要的导航方式包括：磁导航， 惯性导航， G P S 导航， 环境地图模型匹配导航， 路标导航， 视觉导航， 味道导航， 声音导航， 神经网络导航等。磁导航是机器人导航技术中比较成熟的技术，它是2 0 世纪5 0 年代在美国开发的。 目前已广泛应用于制造工业领域。 磁导航主要原理是在路径上埋设电缆， 当电流通过电缆时会产生磁场，通过电磁传感器，对磁场的检测来感知路径信息，从而实现机器人的导航。该方法优点是抗干扰能力强，技术简单，实用， 缺点是成本高，可变性、 可维护性较差。惯性导航是使用陀螺仪和加速度计分别测量移动机器人的方位
15、角和加速率，从而确定当前的位置，根据已知地图路线，来控制移动机器人的运动方向以实现自主导航。 惯性导航的优点是不需要外部参考，缺点是它具有误差累加，不适合长时间精确定位。G P S 导航是一种以空间卫星为基础的高精度导航系统，适合室外全局导航与定位，但是它存在信号障碍，多径干扰等缺点。因而在实际中，它一般都结合其它导航技术一起工作。环境地图匹配导航是机器人利用传感器感知周围环境信息， 然后构造局部地图， 并与其内部事先存储的完整地图进行匹配，以确定自身位置，并根据预先规划的一条全局路线，采用路径跟踪和避障技术，实现自主导航。它一般要涉及到地图构造和地图匹配两大问题。路标导航就是移动机器人利用传
16、感器输入信息来识别出环境中特殊标记， 以实现导航和定位。 根据路标不同， 可分为自然路标导航和人工路标导航。 自然路标导航是机器人根据对工作环境中的自然特征的识别实现导航。 优点是不改变工作环境， 且方法灵活， 但路标探测的准确性和鲁棒性是研究的主要问题。 人工路标导航是机器人识别认为放置的特殊标志实现导航。 该方法优点是易于实现， 且稳定性较好， 但是它认为改变了机器人工作环境。视觉导航主要是通过摄像头对障碍物和路标信息拍摄，获取图像信息，然后对图像信息进行探测和识别实现导航。它具有信号探测范围广，获取信息完整等优点，是移动机器人导航的一个主要发展方向。但是视觉导航的边缘锐化，特征提取等图像处理方法计算量大，实时性差始终是一个瓶颈问题。解决该问题的关键是设计一个更加
