1．本课题研究的背景、目的及意义

1.1 背景

全球关于移动机器人的研究开始于60年代末期，在1966年至1972年中研制出了自主移动机器人Shakey。70年代末，移动机器人的研究又出现了新的高峰，尤其是从80年代中期以来，设计和制造机器人的潮流席卷了全世界。许多世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些做法促进了移动机器人学中多种研究方向的出现。例如，轮式移动机器人的代表作有：Smart Robots公司推出的新型基于Linux的移动机器人SR4；美国Activmedia Boties公司用于教学的P3-DX轮式移动机器人；卡内基梅隆研发的nomad移动机器人；美国国家航天航空局闻名遐迩的火星登陆车“勇气号”等。

我国对机器人学的研究起步与其他国家相较要晚一些，但发展迅速，至今已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面都取得了明显成绩。在“七五“期间，完成了示教再现工业机器声成套技术。为了跟踪国外搞技术，80年代国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人高功能装配机器人和多种特种机器人。进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究，取得了大量成果。其中，轮式移动机器人的研究也硕果累累。

国内研究轮式移动机器人的科研单位及公司主要有研制能力风暴的as-r机器人的上海广茂达伙伴机器人有限公司；研制的casia-i自主移动机器人的中科院自动化所；研制“青青”轮式移动机器人的哈尔滨工业大学，研制“小蜘蛛”轮式移动机器人登月车的上海交大等。

当前，移动机器人技术的研究与发展的趋势包括有：机器人机构导航定位路径规划传感器信息融合技术智能技术移动机器人传感器技术等研究。我国自“八五”期间开始进入这一研究领域，并在国家863计划中予以重点支持。较为全面对路径规划、视觉导航、信息融合、自动驾驶等一些基本的智能机器人技术做了探索，所形成的一些关键技术成果也在其他领域得到应用。我国在机器人技术与自动化工艺装备等方面已经取得了突破性进展，缩短了同发达国家的差距，但是在机器人的核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、高可靠性基础功能部件的批量生 产应用方面，同发达国家相比，我国仍存在较大差距。

随着人工智能和传感器技术的发展，机器人技术取得了长足的进步。智能服务机器人已经开始影响人们的生活，同时人们也对机器人提出了更高的要求。服务机器人目前尚无严格统一的定义，国际机器人联合会（International Federation of Robotics， IFR）给出的初步定义是：服务机器人是一种半自动或全自动机器人，它能服务于人类或某些设备，但不包括制造业务。IFR的调研结果显示，服务机器人产业的市场在不断扩大，各种专用服务机器人的销售数量都在逐年提升。保守估计2012到2015年间，世界范围内具有专业用途的服务机器人的安装数量将会多达9.38万，而个人使用的机器人的交易数量将会接近1560万。

1.2 目的

轮式服务机器人是一种能够应用于室内自主导航的服务机器人。随着全球老龄化的来临，社会和家庭负担都在加重，轮式服务机器人将会扮演越来越重要的角色。当前，大部分的轮式服务机器人都不具备行走功能或只具有简单的避障能力，因此，机器人路径规划成为当前研究的重要课题，本课题拟讨论基于路径规划方法使服务机器人初步具备智能化，为实现自主导航打下基础。

1.3 意义

移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能，这也成为了机器人研究和设计的难点问题。能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此，移动机构是组成移动机器人的重要部分，它是保证机器人实现功能要求的关键，其设计的成功与否将直接影响机器人系统的性能。目前，移动机构开发的种类已相当繁多，仅就平面移动而言，移动机构就有车轮式、履带式、腿足式等形式。各种移动机构可谓各有千秋，适应了各种工作环境的不同要求。但车轮式移动机构显得尤其突出，与步行式移动机构相比，它的优点很多:能高速稳定地移动、能源利用率高，机构简单、控制方便、能借鉴至今已很成熟的汽车技术和经验等等，它的缺点是移动场所限于平面。但是，目前机器人工作的场所几乎都是人工建造的平地，并且即使有台阶，只要以车轮式移动机构为基础再附加几个自由度便不难解决。因而，轮式移动机构在机器人技术中得到广泛应用，目前已成为移动机器人运动机构的最主要形式。

2．本课题主要研究内容和预期目标

2.1 研究内容

（1）研究服务机器人控制器硬件及其工作原理；

（2）研究基于嵌入式系统研究控制器硬件，包括通信模块、电机驱动模块、输入输出模块等；

（3）研究服务机器人的导航与定位，路径跟踪与避障技术；

（4）研究服务机器人的路径规划的方法与实现。

2.2 预期目标

（1）研究与设计的轮式服务机器人拥有完整的控制系统；

（2）研究与设计的轮式服务机器人各个硬件的选择与组装；

（3）研究与设计基于MATLAB的路径规划程序代码；

（4）实现轮式机器人初步的自主导航

3．本课题拟采用的研究方法、步骤

3.1 研究方法

（1）文献搜索法。通过报刊、杂志、著作、网络等各种途径，了解课题的研究现状，汲取并借鉴先进科学的理念，深入理解课题理论的底蕴，及时了解课题研究最新状况，给予课题研究有理有据的指导；

（2）比较分析法。对设计方案定期检查，发现问题，对比国内外轮式服务机器人的避障与路径规划的各种方法，改进方案；

（3）经验总结法。采取总体规划，分步实现的策略，完成论文期间，每个阶段都有方案、有计划、有记录、有总结，定期进行分析与总结，最后结合起来完成整体成果。

3.2 研究步骤

（1）查阅相关文献，获取清晰的研究思路，确定论文研究方向；

（2）了解论文研究内容的背景与发展趋势；

（3）理解研究内容的工作原理，确定轮式服务机器人的构造，从而设计硬件电路；

（4）查询所需模块的原理与其所能实现的功能并应用到设计中；

（5）编写基于MATLAB的程序代码用以实现轮式服务机器人的避障与路径规划的功能；

（6）整理文档并撰写论文。

4．本课题主要参考文献

[1] 李磊，叶涛，谭民等.移动机器人技术研究现状与未来[J].机器人，2002, 24(5)，475-480 [2] 张捍东，郑睿，岑豫皖.移动机器人路径规划技术的现状与展望[J],系统仿真学报, 2005,17(2)，439-443 [3] 曲道奎，杜振军，徐殿国等. 移动机器人路径规划方法研究[J]，机器人, 2008,30(2)，pp.97-106 [4] 孔峰，陶金，谢超平. 移动机器人路径规划技术研究[J],广西工学院学报, 2009, 20(4)，pp.70-74 [5] 乔慧芬.机器人路径规划算法研究[D],中北大学工程硕士学位论文, 2015[6] 任仕玖. 变电站巡检机器人双目视觉导航系统设计与实现[D]，西南科技大学硕士学位论文，2011 [7] 李向东，鲁守银，王宏等.一种智能巡检机器人的体系结构分析与设计[J],机器人, 2005, 27(6), pp.502-506 [8] 周立辉，张永生，孙勇等.智能变电站巡检机器人研制及应用[J],电力系统自动化, 2011, 35(19), pp.85-86

[9]龚洁辉,白玲,高健美.最短路径算法的改进及其实现[J].解放军测绘学院学报,1998, 15(2):23

[10]王兵团，张志刚等，MATLAB与数学实验，北京：中国铁道出版社，2002年。

[11] 戴博.肖晓明.蔡自兴.Dai Bo.XIAO Xiao-ming.CAI Zi-xing 移动机器人路径规划技术的研究现状与展望[期刊论文]-控制工程 2005,12(3)

[12] 孔峰.陶金.谢超平.KONG Feng.TAO Jin.XIE Chao-ping 移动机器人路径规划技术研究[期刊论文]-广西工学院学报2009,20(4)

5．本课题的具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容）

（1）2022.01.18-2022.03.06 查阅资料，填写开题报告，完成外文资料的翻译； （2）2022.03.07-2022.03.20 熟悉matlab语言开发环境； （3）2022.03.21-2022.03.31 研究服务机器人控制器硬件，包括通信模块、驱动模块和输入输出模块的设计； （4）2022.04.01-2022.04.30 matlab编程实现基于服务机器人路径规划与自主导航算法； （5）2022.05.01-2022.05.10 调整并完善设计，资料收集，撰写论文提纲； （6）2022.05.11-2022.06.10 整理设计文档，撰写毕业论文，准备论文答辩。