基于虚拟场景的移动机器人路径规划研究开题报告

一、文献综述与调研报告：（阐述课题现状及发展趋势，课题的价值、参考文献）

本课题的现状及发展趋势：

（一）本课题的研究现状

人工智能也被叫做是机器智能，人工智能其定义是从事与智能化相关的机器工程以及科学制造。因此我们可以将其理解成为研究是不是能够完成，如何完成此样一种方式的智能系统科学知识以及研究领域。其实当前许多研究人员对于人工智能上的认知都有所差异，因此在对其进行定义上也是各有不同的，但是其认知上都能够展现出人工智能包含的内涵以及思想。也就是说人工智能其本身是针对人工构造获得的可以完成对人的思维形式以及意识进行计算模拟的一种方式，这部分系统的产生可以对目前人类的一些工作给予替代。在目前社会发展水平不断提高的发展背景下，当前科学技术的快速发展也在一定程度上促进了经济的快速发展，在目前知识经济保持一体化发展背景的影响下，人工智能自主性以及高效性具备的优势作用也变得异常的显著，尤其是管理的广泛性优势在具体应用环境里的展现，更是可以从一定程度上改变传统工作提出的预期，只有这样才可以在人工智能以及机器人发展中将其具备的优势发挥到位，可是因为当前工作过程中仍然有非常大的难度，因此这一工作的进行也自然也有很多问题需要得到解决。在当前智能机器人进行创造时，还需要强化对系统人脑功能的一种模拟，只有做到这样，才能够在当前人工智能发展的领域里让智能机器人自身的发展空间不断的扩大，只有这样才能够促进行业发展水平的持续快速提升。在人工智能以及计算机技术相互融合的发展背景下，其需要强化对人工智能理论的相关研究，只有这样才可以完成人工智能企业的持续快速稳定发展，在当前技术实力持续提高的发展背景影响下，智能机器人在工作山国的实效性也可以获得更加稳定的发挥，这样的一种情况针对当前市场经济发展的稳定性也起到了非常重要的作用。

如今，要想对于智能机器人信息融合有更好的认知，那么就要从融合结构、融合算法、传感器距离测量问题、目标识别系统、自主导航系统和定位以及路径规划跟踪这几个板块了解研究。

在智能机器人的行进过程中，主要需要重点研究的就是机器人路径规划的问题，这一问题主要就是研究如何让智能机器人在一条外界所提供的行径路径上做到从开始到结束过程中的无碰撞。在进行研究时，一些路径会出现局部位置或者完全位置，这对于研究过程会产生一些影响因为智能机器人在作业路径中要有效地获取目标障碍物的方位、形状以及长度等信息，让智能机器人在运作行进的过程中不触碰到任何障碍物。目前以自由空间法的应用范围较多，自由空间发是使用多边形等模式，构建一个自由完整的空间。进行路径对话的时候需要对于空间进行描述，也就是建模，在二维平面运动当中，规划环境的边界，使用多边形描述，将机器人看做点，实现路径的规划。

嵌入式智能机器人的组成部分主要有驱动控制器和嵌入式微处理器。嵌入式智能机器人的硬件结构有较高的可扩展性、良好的独立性以及较小的功耗等特征, 且能够得到嵌入式系统的充分支持。嵌入式智能机器人的主板是机器人的大脑, 主要担任机器人运动过程中的实时计算工作。随着嵌入式技术的不断发展, 为智能机器人的路径规划算法的实现和运用提供了无限的可能性, 再加上以SOC技术为基础的高性能32位嵌入式微处理器的广泛应用, 为智能机器人研究领域中, 引入实时操作系统提供了强有力的物质基础, 同时这将是机电控制系统的未来发展趋势。嵌入式智能机器人路径算法的主要从获取和决策两方面实现, 获取是指通过感知系统获取所需要的环境信息。

关于Linux系统：

Linux操作系统在短短的几年之内得到了非常迅猛的发展, 这与Linux具有的良好特性是分不开的。Linux包含了Unix的许多功能和特性。

第一, 开放性。系统遵循世界标准规范, 特别是遵循开放系统互连 (OSI) 国际标准。凡遵循国际标准所开发的硬件和软件, 都能彼此兼容, 可方便地实现互连。

第二, 多用户。系统资源可以被不同用户各自拥有使用, 即每个用户对自己的资源 (例如:文件、设备) 有特定的权限, 互不影响。Linux和Unix都具有多用户的特性。

第三, 多任务。多任务是现代计算机的最主要的一个特点。它是指计算机同时执行多个程序, 而且各个程序的运行互相独立。Linux系统调度每一个进程, 平等地访问微处理器。

第四，良好的用户界面。Linux向用户提供了两种界面:用户界面和系统调用。Linux的传统用户界面是基于文本的命令行界面, 即shell, shell有很强的程序设计能力, 用户可方便地用它编制程序, 从而为用户扩充系统功能提供了更高级的手段。

第五, 设备独立性。设备独立性是指操作系统把所有外部设备统一当作成文件来看待, 只要安装它们的驱动程序, 任何用户都可以象使用文件一样, 操纵、使用这些设备, 而不必知道它们的具体存在形式。

在桌面应用方面, 新版本的Linux系统特别在桌面应用方面进行了改进, 达到相当的水平, 完全可以作为一种集办公应用、多媒体应用、网络应用等多方面功能于一体的图形界面操作系统。

在Linux操作系统中,文件系统具有非常重要作用,通过实现具体的文件逻辑结构、目录结构和文件操作,能够使用户更好地理解操作系统中文件系统的工作原理和重要作用,加深对文件系统内部数据结构、功能以及实现过程的理解。

（二）本课题研究的发展趋势分析

目前，机器人行业整体定制化程度较高。由于工作环境的改变和工艺流程的不同，机器人的作业需求也会发生变化，定制化解决方案在一定程度阻碍了机器人的规模化发展及应用。另外，由于造价、使用、维护、安全防护等方面的限制，机器人智能化程度普遍较低，且二次开发成本较高。面对不断扩大的应用场景和市场需求，为降低机器人使用门槛，提高生产环境适应性，机器人智能技术迎来了变革的关键期。

当前新一轮科技革命和产业变革加速演进，新一代信息技术、生物技术、新能源、新材料等与机器人技术深度融合，机器人产业迎来升级换代、跨越发展的窗口期。随着人工智能、物联网等技术的快速发展，机器人的性能也随之提升。例如，机器视觉、深度学习、语音识别及语义理解等人工智能技术，极大程度提高了机器人在复杂多变环境下的自主运行能力。机器人可通过物联网与生产环境中的其他硬件设备实现通信互联，并依托在联合运行中产生的海量数据，结合云计算，对经验数据进行迭代学习训练，从而获得更强的环境适应能力。同时，随着人工智能及物联网技术的发展成熟，机器人行业产生的规模效应将进一步提升，从而带动其生产成本的下降和渗透率的提高，推动行业的不断增长。

柔性化、协作化是未来机器人的研发重点。随着相关技术的不断成熟、研发水平的不断提升、工艺设计的不断创新，机器人正朝着柔性化程度更高、协作能力更强的方向演进。机器人智能化水平的提高，推动其应用场景从搬运、焊接、装配等操作性任务向加工型任务逐步拓展。此外，工业生产场景对操作精细化要求的提高，还使多智能体协作技术成为智能机器人未来研发的重点方向。

随着机器人遍及社会各个角落, 每个人都能感受到机器人应用带来的效果。例如:在老龄化严重的情况下, 医疗护理的重要性日益凸显。如果机器人得到深度应用, 就可以提供许多目前还未实现的高级医疗手段, 提供负担较轻、质量较高的护理服务。服务机器人应用范围广阔, 除了医疗护理外, 还包括维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、救灾等工作。尤其是家庭和医疗领域的应用潜力尤其巨大。随着全球人口老龄化进程的加快, 产生了许多社会问题, 例如对于老龄人的看护以及医疗护理等。光靠财政手段解决这些问题必将导致巨额的社会负担。而从技术角度考虑, 如若广泛应用服务机器人, 利用服务机器人所具有的特点则能够显著降低财政负担, 提升居民幸福生活指数, 有助于社会福利事业的健康发展。

同时, 如果机器人在社会的各种场景得到应用, 也将培育出机器人参与协同工作的各种新业态, 如维修, 娱乐, 保险等。机器人传感器技术、控制技术、人工智能技术、人机交互技术、动力技术和材料技术不断发展, 推动机器人在社会各个领域的应用走向成熟。尤其是随着智能控制理论、机器学习算法、人机交互等关键技术快速发展, 使得机器人具备深度学习能力, 通过访问云计算数据中心进行大数据分析挖掘, 进而在日益复杂的、不确定和非结构化的环境中进行自律性操作, 响应并满足消费者个性化、实时化和多变化的需求。

当然, 随着机器人的深度应用, 一些社会制度也需要适时调整。尽管机器人的进化日新月异, 但是相对于能够识别各种状况并做出判断的人类来说, 机器人能做的事情依然存在很大的局限性, 需要长期进一步进化。

关于Linux系统：

嵌入式应用软件的开发需要更加强大的开发工具和操作系统的支持。随着Internet技术的成熟、带宽的提高，Internet提供的信息内容日趋丰富，应用项目多种多样，像电话手机、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用需求，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器（如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP）增强处理能力，同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开发周期。另外，嵌入式系统还应需要一套高度简练、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务并且价格低廉的操作系统。所以Linux作为一个完全免费和开放的OS，在今后必然是开发嵌入式系统首选的操作系统。

实现小尺寸、微功耗和低成本。在一定程度上讲，嵌入式产品的微型化、低功耗和低成本与高的处理器的性能是一对不可调和的矛盾。所以要达到微型化，就要求相应地降低处理器的性能；同时也就相应地提高了对嵌入式软件设计技术要求。对于系统的小型化，Linux可以说在众多的嵌入式操作系统中是最优秀的。Linux由于源代码是公开免费的，所以可以根据需要进行裁减、修改等，从而实现系统软件微型化。

本课题研究的意义和价值：

人工智能是研究使计算机来仿真人的某些思维过程的学科，主要还包括计算机构建智能的原理、生产类似人脑智能的计算机，使计算机能构建更高层次的应用于。人工智能将牵涉到到计算机科学、心理学、哲学和语言学等学科。可以说几乎是自然科学和社会科学的所有学科，其范围已远远远超过了计算机科学的范畴，人工智能与思维科学的关系是实践中和理论的关系，人工智能是正处于思维科学的技术应用于层次，是它的一个应用于分支。从思维观点看，人工智能不仅仅限于逻辑思维，要考虑到形象思维、启发思维才能增进人工智能的突破性的发展，数学常被指出是多种学科的基础科学，数学也转入语言、思维领域，人工智能学科也必须借出数学工具，数学不仅在标准逻辑、模糊数学等范围发挥作用，数学转入人工智能学科，它们将互相促进而更快地发展。

参考文献：

[1]. 郑伟.人工智能在智能机器人领域中的运用探析[J].电子测试,2021(10):127-128.DOI:10.16520/j.cnki.1000-8519.2021.10.055.

[2]. 王伟.基于智能机器人的多传感器信息融合技术[J].电子测试,2022(01):81-83.DOI:10.16520/j.cnki.1000-8519.2022.01.022.

[3]. 蔡敏.嵌入式智能机器人路径规划应用[J].中国新通信,2018,20(24):117-118.

[4]. 李璐彤.智能机器人的未来展望[J].物联网技术,2018,8(09):7-9 13.

[5]. 章广梅.基于AI的无线网络感知技术研究综述[J/OL].电讯技术:1-10[2022-03-30].http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1267.tn.20220303.1938.006.html

[6]. 陆慧英,承孝敏.人工智能技术支持的个性化学习路径研究[J].科技风,2022(03):117-120.DOI:10.19392/j.cnki.1671-7341.202203038.

[7]. 葛伟,罗敏.Linux的现状与未来[J].电脑知识与技术,2010,6(08):2027-2028.

[8]. 王成,刘金刚.基于Linux的嵌入式操作系统的研究现状及发展展望[J].微型机与应用,2004(05):4-6.

[9]. 邓飞,蔡波.基于Linux平台的文件系统设计研究[J].信息与电脑(理论版),2020,32(20):98-99.

[10]. 王培屹.基于嵌入式Linux的智能家居机器人技术研究[J].科技资讯,2018,16(14):6 8.DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2018.14.006.

[11]. Liu, Yiwen,Zhang, Xian,Qu,Taiguo,Yin, Dong,Deng, Shaowei. Intelligent robot motion trajectory planningbased on machine vision[J]. International Journal of System AssuranceEngineering and Management,2022(prepublish).

[12]. CEVA Logistics LeveragesBerkshire Grey's Intelligent Robotic Automation Systems[J]. ManufacturingClose - Up,2021.

[13]. Research and Markets; 2020Intelligent Robotic Process Automation Why Communications ServiceProviders Need It - ResearchAndMarkets.com[J]. Journal of Engineering,2020.

[14]. Mathematical Descriptionof the Construction Principles of Electromagnetic Mechatronic Modules of IntelligentRobots[J]. International Journal of Engineering and AdvancedTechnology,2019,9(2).

[15]. Rajesh Singh,AnitaGehlot,Rohit Samkaria,Mamta Mittal. IoT based Intelligent Robot for variousDisasters Monitoring and Prevention with Visual Data Manipulation[J].International Journal of Tomography Simulation,2019,32(1).

二、本课题的基本内容，预计解决的难题

基本内容：

机器人应用已经从工业领域向社会、生活等领域快速发展；但随着机器人的微型化，单个机器人的运行任务的能力会降低，因此，需要多个微型机器人相互分工、合作来完成复杂的任务。

本项目主要利用包括研制基于阵列传感器的移动机器人，并利用虚拟场景仿真软件搭建移动机器人数字孪生系统，通过软件仿真开发机器人在未知环境下的避障算法，并实现在实际场景中的避障。

预计解决的难题：

基于测距传感器的机器人避障导航。

三、课题的研究方法、技术路线：

研究方法：

学生通过前期各环节的学习及设计环节的培养已具有结构设计与Webots的仿真控制的基本能力；文献检索和查阅有关的文献资料，了解和掌握现有的多编队机器人集群控制方法；

技术路线：

利用Webots软件搭建仿真环境，并且能够实现多个微型移动机器人在未知环境下避障；通过方案设计、仿真验证，实现机器人集群仿真与控制设计，并撰写论文。

四、研究工作条件和基础：

1、具webots仿真实验条件；

2、学生通过前期各环节的学习和设计环节的培养已具备机械结构设计的基本能力；

3、已完成机器人在虚拟场景中的运动控制；

4、指导教师从事相关课题研究；能在指导过程中通过理论知识的讲授，实验系统设计和程序编制的指导，达到完成毕业设计的要求