机器人任务规划75页PPT
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第七章 智能机器人自主导航与路径规划ppt课件
（3）无地图的导航：是在环境信息完全未知的情况下，可 通过摄像机或其他传感器对周围环境进行探测，利用对探测
的物体进行识别或跟踪来实现导航。
4．卫星导航
移动机器人通过安装卫星信号接收装置，可以实现自身定
位，无论其在室内还是室外。
精选
5
7.1.2 导航系统体系结构
智能机器人的导航系统是一个自主式智能系统，其主要任 务是如何把感知、规划、决策和行动等模块有机地结合起来。 下图给出了一种智能机器人自主导航系统的控制结构。
对于不同的室内与室外环境、结构化与非结构化环境，机 器人完成准确的自身定位后，常用的导航方式主要有磁导航、 惯性导航、视觉导航、卫星导航等。
1. 磁导航 磁导航是在路径上连续埋设多条引导电缆，分别流过不同 频率的电流，通过感应线圈对电流的检测来感知路径信息。
2. 惯性导航 惯性导航是利用陀螺仪和加速度计等惯性传感器测量移动 机器人的方位角和加速率，从而推知机 going？”—— 目标识别；
（3）“How do I get there？”——路径规划。
为完成导航，机器人需要依靠自身传感系统对内部姿态和
外部环境信息进行感知，通过对环境空间信息的存储、识别、
搜索等操作寻找最优或近似最优的无碰撞路径并实现安全运
动。
精选
3
7.1.1 导航系统分类
相对定位只适于短时短距离运动的位姿估计，长时间运动 时必须应用其它的传感器配合相关的定位算法进行校正。
精选
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1. 里程计法
里程计法是移动机器人定位技术中广泛采用的方法之一。 在移动机器人的车轮上安装光电编码器，通过编码器记录的 车轮转动圈数来计算机器人的位移和偏转角度。
里程计法定位过程中会产生两种误差。
第七章 智能机器人自主导航与路径规划ppt课件
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1. 主动灯塔法
主动灯塔是可以很可靠地被检测到的信号发射源，将 该信号进行最少的处理就可以提供精确的定位信息。
2. 路标导航定位法
路标导航定位法是利用环境中的路标，给移动机器人 提供位置信息。路标分为人工路标和自然路标。
3. 地图匹配法
基于地图的定位方法称为地图匹配法。机器人运用各
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2）非系统误差 非系统误差是在机器人和外界环境接触过程中，由于外界 环境不可预料特性引起的。主要误差来源如下： （1）轮子打滑； （2）地面不平； （3）地面有无法预料的物体（例如石块）； （4）外力作用和内力作用； （5）驱动轮和地板是面接触而不是点接触。
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对于机器人定位来说，非系统误差是异常严重的问题，因 为它无法预测并导致严重的方向误差。
式计算先验概率密度
：
（7.2）
式中： 度)。
称为系统的运动模型(状态转移先验密
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2)更新
通过观测模型利用新的观测信息更新系统的状态，即通过
如下公式计算后验概率密度
：
（7.3）
式中： 称为系统的观测模型(观测密度)。
当机器人获得编码器信息或者利用外界传感器感知环境后， 马尔可夫定位算法必须对所有的栅格进行计算，因此需要大 量的计算资源和内存，导致定位处理的实时性很差。
运动学 (x, y, , v)
里程计
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7.2 环境地图的表示
构造地图的目的是用于绝对坐标系下的位姿估计。地图的 表示方法通常有四种：拓扑图、特征图、网格图及直接表征 法(Appearance based methods)。不同方法具有各自的特点 和适用范围，其中特征图和网格图应用较为普遍。
《移动机器人》课件-第7章 移动机器人路径规划
路径规划方面是一大进步。 如何更好的处理多个移动机器人的、路径规划
问题是研究者需要重点研究的问题。
移动机器人
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7.2 全局路径规划
• 全局路径规划是指机器人在障碍环境下，按照一种或多种性能指
标（如：最短路径等），寻找一条起点到终点的最优无碰撞路径。
全局规划首先要建立环境模型，在环境模型里进行路径规划。环
划。
• 行为执行层：结合上层发送的指令以及路径规划，给出移动机器人的当前行
为。
移动机器人
10
7.1 引言
• 作为移动机器人研究的一个重点领域，移动机器人路径规划算法
的优劣很大程度上决定了机器人的工作效率。随着机器人路径规
划研究的不断深入，路径规划算法也越来越成熟，并且朝着下面
的趋势不断发展中：
• 从单一机器人移动路径规划算法向多种算法相结合的方向发展。目前的路径
资源。除栅格法外，还有构型空间法、拓扑法、Dijkstra算法、
A*算法等。下面将着重介绍一下Dijkstra算法和A*算法。
移动机器人
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7.2 全局路径规划
• 7.2.1 Dijkstra算法
Dijkstra 算法是由荷兰计算机科学家 E.W.Dijkstra 于 1956 年提出。
Dijkstra 算法是一种贪心算法，使用宽度优先搜索解决权有向图的
解决方案。而启发式算法能在较短的时间内寻找高质量的解决方案。
• 地图知识：移动机器人路径规划基本上是依靠现有的地图作为参考，来确定
初始位置和目标位置以及它们之间的联系。地图的信息量对路径规划算法的
设计起着重要的作用。根据对环境的了解情况，路径规划可以分为全局路径
规划和局部路径规划。其中，全局路径规划需要知道关于环境的所有信息，
问题是研究者需要重点研究的问题。
移动机器人
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7.2 全局路径规划
• 全局路径规划是指机器人在障碍环境下，按照一种或多种性能指
标（如：最短路径等），寻找一条起点到终点的最优无碰撞路径。
全局规划首先要建立环境模型，在环境模型里进行路径规划。环
划。
• 行为执行层：结合上层发送的指令以及路径规划，给出移动机器人的当前行
为。
移动机器人
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7.1 引言
• 作为移动机器人研究的一个重点领域，移动机器人路径规划算法
的优劣很大程度上决定了机器人的工作效率。随着机器人路径规
划研究的不断深入，路径规划算法也越来越成熟，并且朝着下面
的趋势不断发展中：
• 从单一机器人移动路径规划算法向多种算法相结合的方向发展。目前的路径
资源。除栅格法外，还有构型空间法、拓扑法、Dijkstra算法、
A*算法等。下面将着重介绍一下Dijkstra算法和A*算法。
移动机器人
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7.2 全局路径规划
• 7.2.1 Dijkstra算法
Dijkstra 算法是由荷兰计算机科学家 E.W.Dijkstra 于 1956 年提出。
Dijkstra 算法是一种贪心算法，使用宽度优先搜索解决权有向图的
解决方案。而启发式算法能在较短的时间内寻找高质量的解决方案。
• 地图知识：移动机器人路径规划基本上是依靠现有的地图作为参考，来确定
初始位置和目标位置以及它们之间的联系。地图的信息量对路径规划算法的
设计起着重要的作用。根据对环境的了解情况，路径规划可以分为全局路径
规划和局部路径规划。其中，全局路径规划需要知道关于环境的所有信息，
机器人任务规划概要
俄机器人宇航员SAR化的以及哪些是不变的问题（框架问题）就变得越来越重要。 401。据英国《每日邮 报》11月27日报道，俄 罗斯最早将于2014年派 遣“机器人宇航员”前 往国际空间站工作。
一 机器人规划综述
• 1.3 规划问题分解途径：
第二条重要途径是把单一的困难问题分割为几个有希望的较为容易
慢慢把水壶倾斜
把水壶竖直
一 机器人规划综述
任务规划
总体任务
子任务
运动规划
动作顺序
轨迹规划
关节运动 规律
一 机器人规划综述
人 要求的 机 任务 接 口 规 划
期望的 运动和 力
控
机 器 控制作用 人 制 本 体
实际的 运动和 力
一 机器人规划综述
• 1.4 规划域的预测 对真实世界的任何方面进行完全预测几乎是做不到的。因此，必须 随时准备面对规划的失败。但是，如果在进行规划时把问题分解为尽可能 多的独立的（或近乎独立的）子问题，那么某一规划步骤的失败对规划的 影响是十分局部的。
2014年5月5日，北京，2014全球移动互联网大会召开，在 大会现场，来自大阪大学的智能机器人研究所所长石黑浩 展示了新款智能机器人。该机器人外形机器极其逼真，能 够完成点头、眨眼等动作，并可以进行简单的交谈。
一 机器人规划综述
奥巴马与日本人踢足球
二 任务规划的基本要素
• 2.1 • 2.2 • 2.3 • 2.4 • 2.5 • 2.6 状态空间（State） 时间（Time） 操作状态的动作序列（Actions） 初始和目标状态（Initial and goal states) 标准（A criterion） 运动计划（A plan）
机器人制造公司WowWee公司在CES大展上推出了可编程玩具机器人MiP
一 机器人规划综述
• 1.3 规划问题分解途径：
第二条重要途径是把单一的困难问题分割为几个有希望的较为容易
慢慢把水壶倾斜
把水壶竖直
一 机器人规划综述
任务规划
总体任务
子任务
运动规划
动作顺序
轨迹规划
关节运动 规律
一 机器人规划综述
人 要求的 机 任务 接 口 规 划
期望的 运动和 力
控
机 器 控制作用 人 制 本 体
实际的 运动和 力
一 机器人规划综述
• 1.4 规划域的预测 对真实世界的任何方面进行完全预测几乎是做不到的。因此，必须 随时准备面对规划的失败。但是，如果在进行规划时把问题分解为尽可能 多的独立的（或近乎独立的）子问题，那么某一规划步骤的失败对规划的 影响是十分局部的。
2014年5月5日，北京，2014全球移动互联网大会召开，在 大会现场，来自大阪大学的智能机器人研究所所长石黑浩 展示了新款智能机器人。该机器人外形机器极其逼真，能 够完成点头、眨眼等动作，并可以进行简单的交谈。
一 机器人规划综述
奥巴马与日本人踢足球
二 任务规划的基本要素
• 2.1 • 2.2 • 2.3 • 2.4 • 2.5 • 2.6 状态空间（State） 时间（Time） 操作状态的动作序列（Actions） 初始和目标状态（Initial and goal states) 标准（A criterion） 运动计划（A plan）
机器人制造公司WowWee公司在CES大展上推出了可编程玩具机器人MiP
工业机器人轨迹规划与编程PPT课件
5、点位（PTP）作业和连续路径（CP）作业两种类型运动指令 作业效率的分析及适当选用；
6、机器人语言、示教再现编程原理、优缺点、编程再现过程步 骤；
7、工业机器人示教再现编程举例----以安川、ABB机器人为例； 8、机器人离线编程仿真系统的构成、特点-----安川、ABB机器
人离线编程仿真系统介绍；
轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用 “内插”或“逼近”给定的路径，并产生一系列“控制设定 点”。
7.1.2 轨迹规划的一般性问题
工具坐标系{T} 与工作台（用户）坐标系{S}
机器人的作业可以描述成工具坐标系{T}相对于工作台坐标 系{S}的一系列运动，是一种通用的作业描述方法。
可以把如图所示的机器 人从初始状态运动到终 止状态的作业看做是工 具坐标系从初始位置{T0} 变化到终止位置{Tf}的坐 标变换。
线性函数+两段抛物线函数
平滑地衔接在一起，形成带 有抛物线过渡域的线性轨迹。
T形速度曲线
v vmax
ta
tf-ta
tf t
经验：一般取
1 ta 5 t f
【例7-3】在例7-1中，假设六轴机器人的关节1以角速度100/s在5 秒内从初始角300运动到目的角700。求解所需的过渡时间并绘制关 节位置、速度和加速度曲线。
•
•
(0) 0
•
•
(t f ) f
求解可得
a0 0
•
a1 0
a2
3
t
2 f
(
f
0)
2 tf
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1 tf
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6、机器人语言、示教再现编程原理、优缺点、编程再现过程步 骤；
7、工业机器人示教再现编程举例----以安川、ABB机器人为例； 8、机器人离线编程仿真系统的构成、特点-----安川、ABB机器
人离线编程仿真系统介绍；
轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用 “内插”或“逼近”给定的路径，并产生一系列“控制设定 点”。
7.1.2 轨迹规划的一般性问题
工具坐标系{T} 与工作台（用户）坐标系{S}
机器人的作业可以描述成工具坐标系{T}相对于工作台坐标 系{S}的一系列运动，是一种通用的作业描述方法。
可以把如图所示的机器 人从初始状态运动到终 止状态的作业看做是工 具坐标系从初始位置{T0} 变化到终止位置{Tf}的坐 标变换。
线性函数+两段抛物线函数
平滑地衔接在一起，形成带 有抛物线过渡域的线性轨迹。
T形速度曲线
v vmax
ta
tf-ta
tf t
经验：一般取
1 ta 5 t f
【例7-3】在例7-1中，假设六轴机器人的关节1以角速度100/s在5 秒内从初始角300运动到目的角700。求解所需的过渡时间并绘制关 节位置、速度和加速度曲线。
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求解可得
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