自主移动机器人与多机器人系统：运动规划、通信和集群

本书首先介绍了在具有完整位置和速度信息的全局坐标系中导航和运动规划的模型和算法。第二部分研究了机器人在势场中的运动，势场是由机器人的期望和知识的环境状态定义的。第三部分介绍了机器人在未知环境中的运动以及利用感测信息进行环境映射的相应任务。第四部分从二维和三维两个方面研究了多机器人系统和群体动力学。

尤金卡根（Eugene Kagan），以色列阿里尔大学工业工程系高级讲师，魏茨曼科学研究所数学系顾问，特拉维夫大学AI、机器学习和业务数据分析实验室（LAMBDA）的副研究员。

尼尔什瓦布（Nir Shvalb），以色列阿里尔大学工程学院的教授，也是该校运动学和计算几何学实验室的联合负责人。

伊拉德本-加尔（Irad Ben-Gal），以色列特拉维夫大学工业工程系教授，也是该校AI、机器学习、业务和数据分析实验室（LAMBDA）的负责人。
译者简介：
喻俊志，北京大学博雅特聘教授，博士生导师，IEEE Fellow，国家杰出青年基金获得者、国家万人计划科技创新领军人才、入选国家百千万人才工程等。（曾）担任多个国际期刊包括IEEE Transactions on Robotics、IEEE/ASME Transactions on Mechatronics、Bioinspiration & Biomimetics、Journal of Bionic Engineering的编委。主要研究方向为智能机器人、机电一体化、计算智能等。

贡献者名单
译者序
前言
致谢
配套资源
第1章绪论1
11机器人的早期历史1
12自主机器人2
13机械臂5
14移动机器人6
15多机器人系统和集群机器人9
16本书的宗旨和结构12
参考文献13
第2章全局坐标系下的运动规划17
21动机17
22符号表示17
221构型空间17
222工作空间18
223权重函数18
23已知构型空间的运动规划19
231势场法19
232基于网格的算法21
233基于采样的算法23
24已知部分构型空间的运动规划24
241BUG025
242BUG126
243BUG226
25小结26
参考文献27
第3章基础感知28
31传感器基本方案28
32障碍传感器（安全保险杆）29
33里程计传感器38
34距离传感器41
341飞行时间测距仪41
342相移测距仪44
343三角测距仪46
344超声波测距仪46
35小结49
参考文献49
第4章全局坐标系下的运动表示50
41移动机器人模型50
411轮式移动机器人50
412空中移动机器人51
42Hilare型移动机器人的运动学与控制53
421Hilare型移动机器人的前向运动学53
422Hilare型移动机器人的速度控制54
423轨迹跟踪55
43四旋翼移动机器人的运动学与控制57
431四旋翼移动机器人的动力学57
432螺旋桨的力与转矩58
433姿态变换58
434四旋翼动力学模型60
435简化动力学模型61
436四旋翼的轨迹跟踪控制61
437仿真63
参考文献65
第5章势场和导航函数下的运动66
51问题描述66
52梯度下降法67
521无约束的梯度下降67
522有约束的梯度下降69
53闵可夫斯基和70
54人工势场法71
55导航函数法74
551静态确定性环境下的导航函数74
552静态不确定性环境下的导航函数76
553动态环境下的导航函数与势场78
56小结79
参考文献80
第6章全球卫星导航系统与机器人定位81
61卫星导航概论81
62位置计算82
621多径信号82
622GNSS精度分析83
623精度因子83
63坐标系84
631纬度、经度和海拔84
632UTM投影85
633局部笛卡儿坐标系85
64速度计算86
641计算大纲86
642插入说明86
65城市导航87
651城市峡谷导航87
652地图匹配88
653航位推算——惯性传感器88
66GNSS数据与INS结合88
661改进的粒子滤波器89
662结合GNSS和INS估计速度89
67GNSS协议90
68其他类型的GPS91
681辅助全球定位系统91
682差分全球定位系统91
683实时动态导航92
69GNSS威胁92
691GNSS干扰92
692GNSS欺骗92
参考文献92
第7章局部坐标系下的运动94
71全局运动规划与导航94
72不确定性运动规划96
721运载器性能的不确定性96
722传感器的不确定性97
723适应不确定性的运动规划97
73在线运动规划98
731带微分约束的运动规划99
732被动运动规划101
74利用局部地图进行全局定位101
75三维空间中无人机的运动规划103
76小结105
参考文献105
第8章未知环境中的运动108
81基于概率地图的定位108
811信念分布与马尔可夫定位110
812运动预测与卡尔曼定位113
82未知环境建图与决策116
821建图和定位116
822不确定性条件下的决策121
83概率运动规划实例127
831信念空间中的运动规划127
832环境建图132
84小结134
参考文献135
第9章移动机器人的能量限制与能量效率138
91引言138
92移动机器人的能量限制问题138
93移动机器人功率管理和能量控制的精选文献分析139
94移动机器人的能量模型140
95移动机器人推进141
951轮式移动机器人的推进142
952履带式移动机器人的推进143
96机械能源的能量模型145
961内燃机145
962锂电池146
97小结146
参考文献147
第10章多机器人系统与集群149
101多智能体系统与机器人集群149
1011多智能体系统原理149
1012基本蜂拥规则与聚合和避碰的方法155
102智能体的控制与集群的定位163
1021基于智能体的模型164
1022集群动力学的概率模型175
103小结178
参考文献179
第11章基于共享环境地图的协作运动182
111基于共享信息的协作运动182
1111公共势场中的运动183
1112共享本地环境信息的地形中的运动187
112异构环境中的集群动力学189
1121异构环境和外部势场下的基础集群189
1122基于公共概率地图的集群搜索193

在著名的演讲“The question concerning technology”中，Martin Heidegger认为：
技术是一种揭示性的方法。当我们注意到了这一点后，技术本质上所涉及的另一个领域将完全向我们敞开，这个领域是揭示真理的领域。
当然，机器人技术也不例外。虽然机器人技术是数学抽象的物质实现，但机器人，特别是移动机器人和移动机器人系统，蕴含着我们对运动的想象。
人类曾尝试创造自动执行某些任务的工具，这一行为最早可以追溯到古希腊的哲学家和古埃及的发明家。在中世纪以及之后的新时代，模仿人类和动物的移动设备丰富了这些装置，在此期间，人类也完成了第一次搭建飞行器的尝试。当然，随着蒸汽机、汽油机和电动机的发明，这些装置变得更加复杂。尽管这些装置中最简单的都能显示出现代机械的所有特征，但在现代化意义上，它们都不能被看作机器人。
机器人技术的现代史始于20世纪40年代末，当时在核制造业中使用了机械臂。Bernard Roth在书中提到：
第一次学术活动始于1961年HAErnst在麻省理工学院的论文。他使用一个装有触摸传感器的从臂，在计算机控制下使其运行。他的想法是利用触摸传感器传来的信息引导从臂的运动。
也许，这种使用传感信息的想法为机器人技术奠定了基础，同时，这种信息反馈将机器人和其他自动化工具或装置区分开来。例如，Vladimir Lumelsky给出的机器人的定义如下：
机器人是一种能够在非结构化环境中对周围环境有目的地做出反应的自动或半自动机器。
出于实际需要，本书遵循这个定义。
本书的重点是，在考虑移动机器人的空间位置、通信和传感能力所提供的可用信息的情况下，进行移动机器人的定位和运动规划。本书首先介绍了在具有机器人位置和速度的完整信息的全局坐标系中有关导航和运动规划的模型和算法；接着讨论势场中的运动，势场由机器人期望和认知的环境状态定义；然后研究了机器人在未知环境中的运动以及利用感测信息进行环境建图的相应任务；最后考虑了二维和三维多机器人系统和集群动力学。

Heidegger, M. (1954) The question concerning technology Technology and Values: Essential Readings 99 113;引自Heidegger, M. (1977) The Question Concerning Technology and Other Essays New York and London: Garland Publishing, Inc
机器人是指可以像人类一样完成人类工作的机器，这是捷克作家Karel Capek在1921年创作的作品RUR (Rossums Universal Robots)中提出的。
Siciliano, B, Khatib, O (Eds) (2008) Springer Handbook of Robotics Springer: Berlin
Lumelsky, V (2006) Sensing, Intelligence, Motion How Robots and Humans Move in an Unstructured World WileyInterscience: Hoboken, NJ

本书为移动机器人的导航提供了理论与实践指导，以及可以直接使用的算法。这些算法和指导可以在实验室中直接实现，也可作为进一步研究的起点和解决工程任务的基础。作为一本教科书，本书旨在为应用数学和工程类专业的本科生和研究生提供移动机器人方面的教材支持。本书的结构是按照一学期的课程计划展开的，包括完整的理论素材和算法解决方案。作为一本研究读物，本书旨在为移动机器人的不同研究方向提供一个起点，并作为移动机器人领域的指南。作为一本实践指南，本书自成体系，内容包括现成的算法、数值实例和仿真，这些可以直接在简单和先进的移动机器人上实现，也可用于处理考虑了机器人可用信息和传感能力的不同任务。
我们希望本书可以指引读者以多种不同的方式了解移动机器人系统，也希望本书可以为非结构化环境中移动机器人导航领域的进一步发展提供启示。

Eugene Kagan
Nir Shvalb
Irad BenGal
以色列　特拉维夫大学