前言

确定性环境中移动机器人导航控制理论和方法的研究已取得了大量的研究和应用成果。对未知环境中的导航控制研究也提出了若干方法，但尚未形成统一和完善的体系结构，还有许多关键理论和技术问题有待解决与完善。其中，由于未知环境中先验知识的匮乏和环境的不确定性，移动机器人只有准确地知道其自身位置、工作环境中障碍的位置及运动情况，才能有效安全地进行自主运动。因而，未知环境中移动机器人自定位的研究引起研究人员的更多关注，也已成为机器人领域的研究热点问题。

针对未知环境中移动机器人定位技术的研究，国内外至今已经发表了大量的学术论文，国内外每年都召开许多机器人技术方面的学术会议。但是，目前国内有关未知环境中移动机器人自定位技术的著作为数甚少。2009年，科学出版社出版了由蔡自兴、贺汉根、陈虹等教授撰写的专著《未知环境中移动机器人导航控制理论与方法》，该书以未知环境中的移动机器人导航控制理论和方法为研究内容，主要对机器学习、环境认知、运动规划、导航控制等方面的理论和方法进行介绍。本书则将未知环境中移动机器人导航控制中的自定位技术作为核心研究内容，在内外定位传感器误差分析、复杂地形下的航迹推测、动态环境中基于环境感知的自定位、未知数据关联下基于概率技术的并发建图与定位等方面进行了深入研究并取得了一定进展。本书是国家自然科学基金重点项目“未知环境中移动机器人导航控制理论与方法研究”（批准号：60234030）资助成果的部分展示，希望能为无人探查车、无人排险车、无人扫雷车和无人运输车等用于航天、军事、深海作业和核工业领域的移动机器人的自定位研究，提供一部技术基础和研究经验的专著，发挥应用的借鉴作用。

全书共8章，第1章为概述，简介移动机器人的发展、导航和定位、自定位的现状及难点；第2章为移动机器人定位传感器误差分析，论述本体传感器电位器、里程计、光纤陀螺仪、倾角传感器，以及环境感知传感器激光雷达、视觉传感器摄像头、超声波传感器的工作原理与技术；第3章为复杂地形下基于本体感受的移动机器人航迹推测，研究移动机器人系统及其体系结构、航迹推测基础与输出变换，以及基于摇架机构的速度矢量角分析；第4章为动态环境中基于激光雷达感知的地图匹配自定位，探讨基于激光雷达的环境感知、动态环境中动静态障碍的检测与分析、基于改进建议分布的粒子滤波的动态障碍跟踪定位，以及基于模糊似然估计的局部静态地图匹配定位；第5章为动态环境中基于视觉感知的运动目标跟踪定位，介绍基于自适应图像分割的障碍物检测、基于立体视觉的环境感知，以及基于移动机器人视觉系统的运动目标跟踪定位的研究成果；第6章为未知数据关联下基于PF的增量式环境建图与自定位，给出增量式环境建模与自定位的概率定义、改进的RBPF滤波算法实现增量式环境建模与自定位，以及基于激光雷达鲁棒测量模型的并发建图与定位；第7章为未知环境中基于HMM的增量式视觉拓扑建模与自定位，概括增量式环境建模与自定位的常用概率方法，未知环境的自然路标检测、表示与识别，以及基于HMM的增量式视觉拓扑建模与自定位；第8章为研究展望，主要讨论未知环境中移动机器人自定位理论和技术的未来研究与发展趋势等。

需要说明的是，书中有些图片由机器人所带摄像头拍摄，故不是十分清晰。

本书由河南理工大学于金霞博士、中原工学院王璐博士、中南大学蔡自兴教授撰写。其中，于金霞博士撰写第1、2、3、4、6章，王璐博士撰写第5、7章，蔡自兴教授撰写第8章。书中所有成果均在蔡自兴教授指导下完成。

在本书撰写过程中，得到了韶关学院段琢华博士、中南大学邹小兵博士、陈白帆博士、潘薇博士、胡华梅硕士、袁湘鹏硕士、张莉莉硕士、上海交通大学谢峰博士、河南理工大学贾宗璞教授、李国斌博士、汤永利博士和硕士研究生刘文静、陈现查、许景民同学的大力支持和热情帮助。对此，我们表示衷心的感谢。

本专著的出版得到国家自然科学基金重点项目“未知环境中移动机器人导航控制理论与方法研究”（60234030）资助，河南省教育厅自然科学研究计划项目（2008B520015）、河南省“十一五”教育科学规划2009年课题重点资助（2009-JKGHAZ-0041），河南省控制工程重点学科开放实验室开放研究课题（KG2009-14）、河南理工大学博士基金（B2008-61 、B2009-91）、河南理工大学青年骨干教师基金资助。在此，特致以诚挚的谢意。

本书可作为高等院校计算机科学与技术、智能科学与技术、自动化等专业的研究生或高年级本科生的专业基础课辅助教材，也可供广大从事智能机器人、人工智能、智能控制和智能系统研究、设计、应用与开发领域的科技工作者和高等院校的师生科研参考。

由于作者水平有限，书中难免存在不妥甚至错误之处。我们诚恳地希望各位专家读者不吝赐教，对此我们表示衷心的感谢。

于金霞 王璐 蔡自兴

2010年9月