摘 要

在机器人技术渗透到各个领域的时代背景下，工业生产、医疗救援、服务探险等行业的发展都离不开机器人技术的应用。移动机器人路径规划问题一直是机器人研究核心内容之一，具有广泛的应用前景和科研价值。

本文主要工作如下：第一，分析机器人导航中的建图、定位和路径规划三者之间的关系，搭建导航系统框架；第二，研究全局路径规划算法中的A*算法和Dijkstra算法，在MATLAB和ROS（Robot Operating System,机器人操作系统）上进行仿真实验，通过修改A*算法的评价函数，提高了算法的效率并进行仿真验证；第三，基于ROS，实现机器人环境地图建立以及导航避障的仿真实验。

关键词：移动机器人；路径规划；导航；A*算法；ROS

Abstract

With robot technology permeating into various fields, the development of industrial production, medical rescue, service, exploration and other industries are inseparable from its application. Path planning of mobile robot holds a central role in the research of mobile robot, whose application prospect is extensive and research value is priceless.

The main work of this thesis is as follows: Firstly, analyzing the relationship among the three aspects of robot navigation: mapping, localization and path planning, then the framework of navigation system was built; Secondly, studying the A* algorithm and Dijkstra algorithm as the global path planning algorithm and undertaking simulation experiment in MATLAB and ROS (robot operating system). By modifying the evaluation function of A* algorithm, the efficiency of the algorithm is improved and verified by simulation. Thirdly, based on ROS, the simulation experiment of robot environment map establishment and navigation is realized.

Key words: Mobile Robot; Path planning; Navigation; A* Algorithm ; ROS

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外移动机器人研究现状 1

1.3 本文研究内容 2

第2章 机器人导航总体方案设计 4

2.1 导航的关键问题 4

2.2 环境地图构建 5

2.2.1 常见的地图构建方法 5

2.2.2 代价地图 6

2.3 移动机器人定位 6

2.4 路径规划 7

2.5 导航总体方案设计 8

2.6 本章小结 9

第3章 全局路径规划算法研究 10

3.1 Dijkstra算法研究 10

3.2 A*算法研究 11

3.2.1 A*算法评价函数 11

3.2.1 A*算法原理 12

3.3 A*算法改进 14

3.4 MATLAB仿真实验 16

3.4.1 算法比较仿真实验 16

3.4.2 不同启发方式的A*算法仿真实验 18

3.4.3 A*算法改进仿真实验 19

3.5本章小结 21

第4章 基于ROS的导航仿真实验 22

4.1 环境地图建立 22

4.2 导航功能仿真 24

4.3 路径规划算法仿真实验 26

4.4 本章小结 27

第5章 总结与展望 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着时代发展以及科学技术的进步，机器人在我们的日常生活中的扮演着越发重要的角色，发挥着前所未有的重大作用。如今，机器人技术已经渗透到了我们生活中的方方面面。在工业生产，服务行业，军事领域，探险救援^[1]以及医疗领域^[2]，机器人都用以独特的魅力，成为它们中不可或缺的一份力量。

2014年6月9日，习近平总书记指出机器人在目前工业生产中的重要地位，国家的高新科学技术发展水平在机器人领域可以得到体现，机器人技术的发展是推行国家科技创新的强大动力。2015年，我国举办了第一届世界机器人大会，大会聚焦于机器人产业的发展，在国家和世界的角度上提出了不同的发展要求。以世界机器人大会为契机，我国在机器人行业的发展达到了前所未有的态势，从高校到研究所，从民营企业到国有企业，机器人越来越受到人们的重视，自动化专业、人工智能专业成为了当前时代新的热门专业，一个崭新的时代已经到来。

移动机器人路径规划问题作为机器人研究的核心内容^[3]，在各个领域都有着广泛的应用前景和科研价值。在人们的日常生活领域中，机器人路径规划在室内清洁^[4]，GPS（Global Positioning System，全球定位系统）导航,基于GIS（Geographic Information System，地理信息系统）系统的道路规划中都发挥重要作用；在工业生产如机械臂的运动规划、机械设备的装配、物流行业的包裹分拣、分流、装配等方面，路径规划都占据了重要的地位，有着极其广泛的应用前景。

1.2 国内外移动机器人研究现状

1960年代，国外开始了对移动机器人的研究。1980年代，随着传感器，自动控制理论，信息技术和计算机技术的飞速发展，许多著名的技术公司开始着手研究移动机器人及其操作系统。进入21世纪，软件技术和硬件平台得到飞速发展，这成为机器人技术发展的强大驱动力。世界机器人产业得到迅猛发展，在2005年，波士顿动力公司联合美国国家航空和宇宙航行局（NASA）研制出的大狗机器人能够在难于行走的环境中行走并完成导航任务，其对环境的适应性强，可用于运输任务。2015年，美国iRobot公司研制出了Roomba980清洁机器人,，清洁机器人对路径规划的要求不在于路径的长短，而在于对当前地图的覆盖率等问题，这是移动机器人路径规划技术的另一个发展方向。在移动机器人的生产方面，美国在移动机器人服务行业和军事行业有着绝对优势^[5]。

我国对于移动机器人领域的研究发展迅速，随着国家对机器人技术的重视程度逐渐加强，在各种政策的宏观调控下，机器人领域愈发受到人们的重视，国内各大院校研究所至今都取得了不菲的进展。“极地开拓1号”冰雪面移动机器人是我国用于我国科研人员在极地的科研任务，可实现自主跨越冰缝、爬越雪坡等路径规划任务,上海交通大学曾开发了一款助残助老的移动操作智能轮椅^[6]，玉兔号月球车可通过自主导航来巡视月球表面，同时完成勘探测量任务。