1. 研究目的与意义（文献综述）

1. 研究目的及意义

机器人这一词最早出现在科幻文学作品中，可以追溯到1920年一名捷克作家发表的《罗萨姆的万能机器人》一书，作者根据小说中的robota和robotink两个单词创造出“机器人”一词。自20世纪50年代末第一台工业机器人“unimate”被发明以来，其发展已有半个世纪之久，机器人的应用范围遍布工业、科技、国防和生活等各个领域。在过去的30年到40年间，机器人学和机器人技术迅速发展，机器人产业在全世界范围内蓬勃发展，同时机器人技术也由最初的工业应用走进了人们的日常生活，受到了人们的广泛关注。

到目前为止机器人技术的发展可以分为三个阶段^[1]，第一代机器人是可编程机器人，其特点是以规定好的固定程序工作，没有对外界信息反馈的能力；第二代机器人是感知机器人，具有对外界信息反馈的能力，具有视觉、触觉等感官性能，但不具有自主性能；第三代机器人是智能机器人，该机器人可以吧感知和行动结合起来，可以在未知的环境进行工作，其已经具有自主性能，可以自主进学习、优化、决策。

2. 研究的基本内容与方案

1. 设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案

3.1基本内容和目标

论文所要进行的研究的基本内容主要包括以下四个方面。

1) 了解多移动机器人路径规划问题的应用及发展，通过查阅文献，可知该技术来源于单机器人路径规划技术，再对路径规划问题中的单个机器人和多个机器人工作的共同点和不同点进行分析，学习多移动机器人协调工作相关知识；

2) 再对现有的人工势场算法处理路径规划问题的现状进行分析，并学习传统人工势场算法，对其在路径规划问题中的应用进行详细分析，学会根据具体案例选择恰当的人工势场函数；

3) 在学习的多机器人协调相关知识的基础上，结合所研究特定的应用背景，对多移动机器人规划理论以及在案例中的应用进行详细论述。

4) 结合人工势场法和多移动机器人协调理论，建立路径规划模型，并通过MATLAB软件编写程序进行案例模拟仿真。

论文研究的目标为如何利用人工势场法对多移动机器人进行路径规划，实现多移动机器人之间的协调合作，并在运动过程中自主规避复杂环境中的障碍物，快速到达目的地并完成任务。

3.2拟采取的技术方案

本研究采用人工势场法实现多移动机器人路径规划，人工势场法需要根据障碍物和目标点的方位和距离，结合所选定的人工势场函数，假定机器人、目标点与障碍物同处于一个受力场中，且机器人与障碍物之间产生斥力，与目标点之间产生吸引力，两者的合力方向即为机器人下一步的运动方向，可以很好的实现路径规划。通过查阅文献，可知经过多年的发展，该方法存在一些有待改进的问题，对于存在的问题，研究学者采用对传统人工势场函数进行不同的改进或者结合其它优化算法的方法进行改进。

人工势场法是通过在机器人的运动空间中抽象一个人工势场，并假定人工势场是由两个部分组成：一个是引力场，引力场的方向指向任务目标点G；另一个是斥力场，方向指向障碍物O的反方向。整个势力场是引力场和斥力场的叠加，当移动机器人在势力场里运动时，会受到目标对其产生的引力，也会受到障碍物对其产生的斥力，移动机器人受到的合力指引其在避开障碍物的同时快速朝着目标点前进。传统人工势场法的受力分析图如下图1所示。

图1 传统人工势场受力分析图

其中：

R表示机器人在运动空间中所在的位置；

O表示障碍物在空间中所在对位置；

G表示任务目标点所在的位置；

F₁表示机器人受到目标对其产生的引力；

F₂表示机器人受到障碍物对其产生的斥力；

F表示机器人受到的合力。

根据文献中对传统人工势场理论的描述可得机器人与任务目标点之间的引力场函数为下式（1）。

（1）

其中：

X=（x，y）为机器人运动空间的位置坐标；

X_g为任务目标点的位置坐标；

K_att为引力增益系数，取整数。

定义为引力势场的负梯度，则计算公式如下式（2）所示。

（2）

其中：

为机器人和任务目标点之间的距离；

为引力系数；

为机器人指向任务目标地单位向量。

同样可定义斥力场函数如下式（3）所示。

（3）

其中：

表示机器人与障碍物之间的距离；

为斥力增益系数；

为障碍物对移动机器人的影响距离。

定义斥力为斥力势场的负梯度如下式（4）所示。

（4）

所以移动机器人在工作环境中的总势场可以表示为引力势场和斥力势场之和，如下式（5）所示。

（5）

根据空间动力学方程和拉格朗日方程，可以推导出人工势场对机器人的合作用力为式（6）：

（6）

以上是传统人工势场函数模型，但经过多年的发展，研究人员发现该模型存在一定问题^[19]，也对一些常见的问题进行了相应的改进，经过查阅文献，发现现有的改进方案并不能全面地的改进算法，只能针对某一个问题进行改进，而且有的算法稳健性太低，不适用于复杂的环境，本文拟在现有研究的基础上，对基于人工势场法的多移动机器人路径规划问题进行研究。

除了对传统人工势场法进行路径规划所存在的问题进行改进之外，还需要考虑多移动机器人协同合作前进的问题，对此，本文拟采用优先级策略^[20]，以解决多移动机器人运动过程中可能发生碰撞问题。多机器人中每个机器人的初始设置和避障程序是相同的，不同的是根据优先级的不同对多个机器人进行排序，当两移动机器人之间的距离小于某一给定的安全距离时，优先级低的机器人开始减速，为优先级高的机器人让路，当两者之间的距离大于给定的安全距离后，优先级低的机器人恢复原始速度继续前进，以此来解决多机器人之间的协同合作问题。

根据以上建立的人工势场函数模型和制定的优先级协调策略，本文拟使用MATLAB软件进行仿真模拟，并根据仿真结果调整选定的人工势场函数，使规划的多移动机器人运动路径达到最优，同时不发生碰撞，完成项目的要求。

3. 研究计划与安排

时间	周数	内容	要求
2018年3月1日-3月15日	2.5	文献阅读、开题报告	外文文献至少5篇，参考文献至少15篇
2018年3月16日-3月26日	1.5	Matlab和多机器人系统学习	查阅资料并掌握相关知识
2018年3月27日-4月2日	1	相关思路的确定	参照相关论文方案确定思路
2018年4月3日-4月30日	4	按照开题报告和相关思路进行系统的整体设计
2018年5月1日-5月14日	2	论文初稿	字数字数至少1.5万，其中参考文献至少15篇，外文文献至少5篇
2018年5月14日-5月22日	1	论文修改、打印、装订	向老师请教，并对论文细节之处进行修改
2018年5月23日-5月31日	1	论文送审	上交论文，并准备答辩
2018年6月	3	论文答辩

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 魏然. 基于人工势场理论的多移动机器人的协同控制研究[d].华中科技大学,2007.

[2] 李福荣.多机器人路径规划避碰和协作运动研究[d].天津工业大学,2014.

[3] 石为人,黄兴华,周伟.基于改进人工势场法的移动机器人路径规划[j].计算机应用,2010,30(08):2021-2023.