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基于视觉导航的轮式移动机器人设计方案.pdf
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基于视觉导航的轮式移动机器人设计方案
第一章移动机器人
§1.1 移动机器人的研究历史
机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物
相似的智能,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高
度灵活性的自动化机器 )。1962 年,美国 Unimation 公司的第一台机器人
Unimate 。在美国通用汽车公司 (GM) 投入使用,标志着第一代机器人的诞生。
智能移动机器人更加强调了机器人具有的移动能力,从而面临比固定式
机器人更为复杂的不确定性环境,也增加了智能系统的设计复杂度。 1968 年
到 1972 年间,美国斯坦福国际研究所 (Stanford Research Institute, SRI)
研 制 了 移 动 式 机 器 人 Shaky, 这 是 首 台 采 用 了 人 工 智 能 学 的 移 动 机 器 人 。
Shaky 具备一定人工智能,能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行
任务 (如寻找木箱并将其推到指定目的位置 )。它装备了电视摄像机、三角法
测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器,并通过无线通讯系统由二台计
算机控制。当时计算机的体积庞大,但运算速度缓慢,导致 Shaky 往往需要
数小时的时间来分析环境并规划行动路径。
1970 年前联月球 17 号探测器把世界第一个无人驾驶的月球车送七月球,
月球车行驶 0.5 公里,考察了 8 万平方米的月面。后来的月球车行驶 37 公里,
向地球发回 88 幅月面全景图。 在同一时代, 美国喷气推进实验室也研制了月
球车 (Lunar rover), 应用于行星探测的研究。采用了摄像机,激光测距仪以
及触觉传感器。机器人能够把环境区分为可通行、不可通行以及未知等类型
区域。
1973 年到 1979 年,斯坦福大学人工智能实验室研制了 CART 移动机器人,
CART 可以自主地在办公室环境运行。 CART 每移动 1 米,就停下来通过摄像机
的图片对环境进行分析,规划下一步的运行路径。由于当时计算机性能的限
制,CART 每一次规划都需要耗时约 15 分钟。CMU Rover 由卡耐基梅隆大学机
器人学研究所在 1981 年开始研制,它具有 12 个微处理器来处理实时任务,
一个大型的远程计算机通过遥控方式来进行复杂规划与环境分析。它通过声
纳传感器与视觉传感器来探测环境中的障碍。
由于计算机的运行速度、传感器感知能力的限制,这些移动机器人的实
时控制性能不佳。每自主前进一步都需要停下来花费大量的时间进行计算,
因此在实际应用常采取遥控的方式。进入 20 世纪 90 年代,随着计算机技术
的飞速发展,机器人的感知、决策能力也获得了长足的进步。到了 1994 年,
卡耐基梅隆大学机器人学研究所开发了 Dante II,这是一个 8 足的移动机器
人 fill 。在 1994 年 4 月,该机器人通过卫星通讯与 Internet 相连,通过网
络由 NASA 的研究组、卡耐基梅隆大学以及阿拉斯加火山观测所的科研人员控
制 Dante 进行阿拉斯加火山口观测,并收集了火山口喷出的气体样本。
早在 1971 年,前联就曾向火星发射了两辆火星车,其中一辆撞毁了,
另一辆发送一幅尚不完整的图片就失去了联系。
§1.2 移动机器人的国际现状
索杰纳的成功应用,成为移动机器人技术发展的一个崭新的里程碑,向
人们展现了移动机器人代替人们从事肮脏 (Dirty) ,危险 (Dangerous) ,枯燥
(Dull) 工作的应用潜力激发了人们对于移动机器人技术研究的极大热情。世
界各国或国际机构都加大了相关研究的力度。
欧盟在 2000 —2004 年启动的信息社会技术计划中开展了探测火山环境
的机器人、用来评估地振危险性的爬行机器人 (ROBOSENSE) 、借助机器人的交
互式博物馆临场感 (TOURBOT) 等项目研究。在火山爆发的发作阶段观测和测量
火山活动的相关变量最有意义,但对研究人员也是最危险的时刻。在 1993
年的一次火山口考察中, 8 名火山研究人员遇难。 ROBOVOLC 将开发和测试一
个自动化机器人系统,在火山环境下进行探测与测量,可以帮助科学家远离
危险环境进行分析研究。 ROBOSENSE 将开发一台能够携带探伤仪器的移动机
器人,对地振造成的建筑物结构性损害进行检测。 TOURBOT 的目标是发一个
交互式导游机器人,通过因特网实现个性化的临场感,同时 TOURBOT 能够在
现场引导参观游客。此外欧盟还开展了移动机器人应用于人道主义排雷等研
究。
法国国家科学研究中心 )于 2001 年中期,提出了一项有关机器人技术的
大型国家计划,称作“机器人与人工体”。这项跨学科的计划涵盖了机器人
学息科学与技术方面的主要研究领域。 Robe 计划对“感知器执行器”与认知
功能进行跨学科的研究。实现这些功能在智能系统的集成,能够在开放的、
变化的环境中自主完成各种任务,实现智能机器人与人交互、通过学习改进
其行为的功能。具体开展了移动式操作手,移动机器人视觉定位,行星机器
人 1 以及多移动机器人协作等研究。
前联曾经在移动机器人技术方面居于世界领先的地位, Lunokhod-1 是最
早登上月球的遥控式移动机器人。俄罗斯作为前联的继承者,在机器人技术
领 域 依 然 具 有 当 雄 厚 的 技 术 基 础 , ROVER 科 技 有 限 公 (Rover Science &
Technology Joint-stock Company Ltd., RCL) 把在开发空间机器人中获得的
经验应用于开发地面机器人系统,如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、
球形机器人、工作伙伴平台以及 ROSA-2 移动车等。
日 本 经 济 产 业 省 (Ministry of Economy, Trade and Industry, M
ETI)1998 年开始启动了人形机器人技术研究计划 (HRP) 。在这一年,日本本
田(Honda) 公司展出了人形移动机器人的一个主要目标就是开发一个开放体
系结构的人形机器人平台 (简称 Open HRP) ,用来探索人形机器人的各种应
用.METI 从 2002 年又启动了一项国家项目一一“ 21 世纪机器人挑战” ,其中
一个三年的子项目是开发应用于机器人开放式结构的中间件 )。中间件能够对
市场上销售的各种机器人零件实现标准化,并且能够更加容易地对这些零件
进 行 系 统 集 成 。 更 长 远 的 预 期 在 于 到 2009 年 , 实 现 机 器 人 商 品 化
(Commercialize), 将 机 器 人 的 应 用 领 域 扩 展 到 家 庭 (Home) , 医 疗 服 务
(Medical care) 、灾害救助 (Disaster relief) 。日本科技署 (Japan Science
and Technology Agency, JST) 于 2002 年 10 月启动了一项 5 年期限的项目,
用于开发人道主义排雷的机器人技术,日本产业界已开发出能实际应用的排
雷机器人,并送往柬埔寨进行现场试验。此外,日本也一直进行着有关月球
探测的研究,计划于 2015-2020 年在月球上建立一个小型基地,与该计划相
应的行星漫游车研究也很活跃。
国科学技术部 (Ministry of Science and Technology ,MOST) 于 1999
年启动的“21 世纪尖端研究发展计划” (21"Century Frontier R&D Program) ,
包括了服务机器人、恶劣环境中的机器人、微型机器人以及排雷机器人项目
国信息与通讯部 (Ministry of Information and Communication , MIC) 发布
了旨在促进 IT 增长的 9 个优先发展领域 (Top 9 IT Growth Sectors) ,其中
智能化的服务机器人被列为首位。
美国在行星移动机器人以及军用移动机器人的研究与应用方面投入了
大量资金与科研力量。如 :美国 NASA 支持的火星探测计划、美国国防部支持
的无人战车研究计划 UGV(Unmanned Ground Vehicle) 美国能源部的核废料等
危 险 品 搜 集 、 搬 运 自 主 车 研 究 计 划 等 项 目 , 吸 收 JPL, MIT AI Lab. CMU
Robotics Institute 、 Georgia Tech Mobile Robot Lab, Naval Warfare
Systems Center of San Diego 以 Stanford Robotics Institute 等许多知
名大学与研究所的科研人员参与。 最近的突出成果是 2003 年发射的火星漫游
机器人—“勇气”号与“机遇”号,它们的顶部装有全景照相机及具有红外
探测能力的微型热辐射分光计,携带多种分析仪器对火星岩石纹理及其成分
进行探测。“勇气”与“机遇”号的探测使命预计为 90 个火星日,但在 2004
年成功着陆后,目前己经远远超过了预期的工作寿命。
§1.3 移动机器人研究的国现状
国有关移动机器人研究的起步较晚, “八五”期间研制了 ATB-1 ,即军用
智能机器人平台,由大学、国防科技大学、清华大学、理工
大学、理工大学联合研制。 “九五”期间又研制了军用“智能机器人平台 2
号,道路自主驾驶的最高速度为 74Km/h 。
在国家“十五” 863 计划中,展开了一系列的有关智能机器人方面的研
究。在危险环境下作业移动机器人、基于复合结构的非结构环境应用的移动
机器人、高机动性越障机器人、多足仿生机器人、仿人形机器人等研究项目
取得了众多的成果。国防科技大学、工业大学、清华大学、中国科技大学、
中科院自动化研究所、自动化研究所等正在开展有关月球探测自主机器人的
相关研究。在 863 专项支持下,清华大学开发了多功能室外智能移动机器人
实验平台、交通大学研制了移动机构试验平台以及 Frontier-ITM 等。 211A
MCTB 采用了关节轮式移动结构, 具有较强的越障能力。 Frontier-ITM 自主移
动机器人作为中国大学的参赛队首次参加了 Robocop 中型组比赛。 CASIA-1
是中科院自动化所研制的集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体
的智能移动机器人。自动化所研制的自行输送小车已投入生产现场,此外还
研制了“多功能排险防暴机器人”和“蛇形机器人” 。
2003 年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递
阶 控 制 体 系 结 构 以 及 机 器 学 习 [ 等 智 能 控 制 算 法 , 在 高 速 公 路 上 达 到 了
130Km/h 的稳定时速,最高时速 170Km/h ,而且具备了自主超车功能,这些技
术指标均处于世界领先的地位。
这一系列的成就推动了我国移动机器人技术的发展,缩短了与国外先进
水平的差距,而且在某些领域也取得了国际领先的成果,己经成为我国机器
人应用的一个突出领域。
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