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摘 要

移动机器人能够基于环境的变化即时决策，在在自动化控制中发挥着越来越重要的作用。众所周知，导航是机器人研究至关重要的一部分，与此类似，路径规划也是机器人导航的重中之重。本文通过Matlab设计了一块基于栅格模型的仿真软件，它能够验证A*算法的有效性，使机器人绕过障碍物实现较好的路径规划效果。本软件分为四个部分包括环境建模、仿真动画、数据显示、数据输入等。本文核心算法模块的编写以A*算法为基础，并在此基础上详细介绍了栅格建模、绘图方法、GUI设计过程。仿真结果表明该软件运行平稳，能够清晰的展现出点的运动过程。

关键词：移动机器人；避障；仿真软件；Matlab；GUI；栅格模型；A*算法

Path Planning and Simulation Based on Grid Model

ABSTRACT

Mobile robot,as a intelligent system which combines behavior-dicison and environment-perception,has played a more important role in autmation control.It is well-known that navigation is a critical part of robot study ,the same as the find-path problem to robot navigation. In this paper,a grid-based simulation software was designed by Matlab in order to evaluate the effectiveness of A* algorithm and to realize the path planning of the robot with obastacle avoidance.The software includes four parts．environment modeling,.simulation animation, data display, data input . The paper intends to achieve the path planning of the robot in the known environment through research on A * algorithm .It comprehensively expounds the robot path planning methods, the grid modeling, software programming and user graphical interface design. The simulation results shows that the software runs smoothly and can clearly and intuitively show the obstacle avoidance process of the robot.

Key words：mobile robot；obstacle avoidance；simulation software；Matlab；GUI；grid model；A * algorithm

目录

摘要………………………………………………………………………………………………I

ABSTRACT………………………………………………………………………………………II

第一章 绪论……………………………………………………………………………………1

1.1引言 ……………………………………………………………………………………1

1.2 路径规划背景…………………………………………………………………………1

1.3 发展状况……………………………………………………………………………3

1.3.1全局路径规划 …………………………………………………………………3

1.3.1.1环境建模………………………………………………………………………3

1.3.1.2 路径搜索策略………………………………………………………………4

1.3.2 局部路径规划 …………………………………………………………………4

1.4 机器人系统仿真………………………………………………………………………5

1.4.1国内外发展状况 ………………………………………………………………5

1.4.2 MATAB仿真的特点 ………………………………………………………………6

1.5 课题主要研究内容 ………………………………………………………………7

第二章 A*算法原理与流程图……………………………………………………………8

2.1 原理 ……………………………………………………………………………………8

2.2流程图……………………………………………………………………………11

2.3 小结……………………………………………………………………………………12

第三章 基于栅格模型的避障仿真软件………………………………………………11

3.1 需求分析………………………………………………………………………………13

3.2 结构功能图……………………………………………………………………………13

3.2.1 环境建模 ……………………………………………………………………13

3.2.2 仿真动画 ……………………………………………………………………15

3.3 GUI界面设计…………………………………………………………………………15

3.4程序流程图…………………………………………………………………………21

3.5用户界面和使用流程………………………………………………………………23

3.6仿真结果………………………………………………………………………………24

第四章 总结与展望…………………………………………………………………………30

4.1总结……………………………………………………………………………………30

4.2展望……………………………………………………………………………………30

参考文献………………………………………………………………………………………31

致谢 ……………………………………………………………………………………………33

第一章 绪论

1.1 引言

自二十世纪四十年代末,OakRidgeNationalLoboratory和Argonne研发出世界上第一台“主从型”机械手起,机器人技术的研发和运用在欧美、亚洲等国家中以不可思议的速度发展起来^[20],同时,机器人的路径规划和有关算法的研究等方面也由此而快速地发展起来。

机器人作为多门学科融合的领域,集成了力学、机械设计、加工与制造、计算机软硬件、控制技术与传感器检测技术、模式与人脸识别、人工智能等学科领域的先进理论与技术^[4]。随着工业生产对机器人技术需求的加剧,更多的自动化控制系统采用了机械手和传感检测装置,值得一提的是,随着制造自动化技术的蓬勃发展,不远的将来会需要大量更自主、更“聪明”的机器人。自主的智能机器人将会拥有感觉、自主管理与规划、和自我控制等新型特点,这使机器人能够采集、存储周围环境的信息,按照程序设定完成用户设定的任务。通常我们认为，用户布置一项具体工作任务,机器人系统能够在更高的水平上通过先前编写的程序自主地完成这项任务。例如我们需要装配某种产品,首先我们需要把整个的装配过程细分为一整套的装配步骤,然后让机器人系统根据我们的要求来实现相应的规划和动作,理所当然，这些动作应该包含机械手抓住某个物品,避开周围环境中的障碍物,运送至应的位置开始以便装配。在过去的三十多年里,机器人路径规划技术己经取得很大的发展。当然这个领域涉及到许多重要的数学知识,如经典几何学、矩阵等方面的知识，相信随着数学学科研究的步伐进一步加快，机器人技术能获得更快的发展^[7]。

1.2 路径规划背景

在移动机器人导航的过程中，路径的选择选择非常的重要，由此“路径规划”一词应运而生，可以说它是一个非常关键的一个步骤。这个过程中，需要给其设置一个标准，让整个Robot的行径过程按照这样的一个标准工作，从而在Start和Target之间规划出一条符合标准的路线。在执行过程中，障碍物的位置、大小、形状,在环境中的分布状况，起始点、目标点位置的不同，都会造成最终形成的路线的差异，这样的差异是路径规划技术研究的重点之一。从所阅读的外文文献以及外文翻译的过程中可以了解到，路径规划在英文翻译里译作path-plan,obstacle-avoidance,find-path problem。各种译法均可，因为从本质上来讲，他们意思也是相同的。顾名思义，实施路径规划的的对象应该是机器人，机器人分为很多种，有用于家务的机器人，用于检测的器人，还有近期战胜柯洁的阿尔法狗人工智能机器人，工业上机械手等。这里以机械手为例作简要说明一般来说,机械手和人类的手相比特点就是它拥有非常高的自由度，而且它可以毫无休止的重复一件事情而不觉得累。可以这样定义：用ROBOT表示机器人在，它具有n个自由度，将ROBOT置身于一个大环境中用E（environment）表示,当然这个环境可以是二维平面也可以是三维立体的。Path plan即是让Robot在环境E中从起始点S（Start）绕过障碍物O（obstacle）行径到T（Target）,希望这样的路线能够符合预期的效果。当然，这取决于用什么样的算法。总结上述，路径规划的整个过程需要考虑到如下三个方面（1）如何对机器人所在的环境建模（2）怎样才能让机器人从起始点S完美的绕过障碍物并行进至目标点（3）采用什么样的算法。

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