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。

第2章视觉导航的轮式移动机器人综述§2.1视觉导航的轮式移动机器人现代机器人技术在人工智能、计算机技术和传感器技术的推动下获得了飞速发展，其中移动机器人因具有可移动性和自治能力，能适应环境变化被广泛用于物流、探测、服务等领域。

移动机器人的核心技术之一是导航技术，特别是自主导航技术。

由于环境的动态变化和不可预测性、机器人感知手段的不完备等原因，使得移动机器人的导航难度较大，一直是人们研究的重点。

目前常用的一种导航方式是“跟随路径导引”，即机器人通过对能感知到某些外部的连续路径参考信息做出相应的反应来导航。