1.1.2 移动机器人的组成

移动机器人的组成包括移动机器人的体系结构和硬件构成两个层面。从体系结构来讲，由于移动机器人具有感知工作环境、任务规划和决策控制的能力，所以移动机器人的体系结构中应包含感知、规划和执行三种基本要素。目前，移动机器人的体系结构可以分为三种：慎思结构、反应结构以及混合结构，如图1.3所示。

从1967年到20世纪80年代后期，慎思结构一直占统治地位，由图1.3（a）可以看出慎思结构明确地给出了感知、规划和执行之间的次序，移动机器人完成一次任务后才能进入下一个循环。但是因为在任务执行前都要进行感知和规划这两个步骤，而感知和规划需要较长的时间，也就导致了执行时间较长。

如图1.3（b）所示，反应结构对移动机器人的各种任务进行分解，从而可以加快任务的执行。根据任务划分的不同，反应结构又可分成类别型和计划型两种，其中：

图1.3 移动机器人体系结构

（1）在类别型反应结构中，任务是离散的，不同任务之间存在竞争关系，其具体的设计步骤有：

定性地指定任务所需的行为；

将移动机器人的独立行为分解成一组可观察的不相交的动作；

确定行为粒度，并将由此产生的底层行为与传感器和执行器联系起来。

（2）在计划型反应结构中，任务是连续的，不同任务之间是合作的关系，它与类别型反应结构的主要区别有：

不存在用于协调的预定义层次结构；

行为响应都以单一的统一格式表示；

通过合作方式实现多任务之间的协调。

慎思结构和反应结构各有优缺点，基于反应结构的移动机器人在复杂动态环境中的鲁棒性强，但基于纯反应结构的移动机器人并不适合现实世界的所有应用，如没有精确的定位和世界知识。基于慎思结构的移动机器人在环境的不确定性是有限的时候，可以利用世界知识实现各种规划，其缺点是当环境是动态和未知的时候，移动机器人的工作效率比较低。因此，产生了一种慎思+反应的混合式体系结构，如图1.3（c）所示，这种结构最早出现在20世纪90年代，并且至今仍是研究的热点。该结构具有如下优势：

行为和感知策略可以表示为不同的模块，用以匹配各种任务和环境；

先验的世界知识，可以用来有效地配置或重新配置移动机器人的不同行为；

动态获取的世界模型可以用来防止基于反应结构的移动机器人所面临的某些陷阱。

移动机器人是一种由传感器、自动控制移动载体等组成的机器人系统，在硬件构成上，其通常由中央控制器、传感器和驱动底盘等几个主要部分组成。中央控制器相当于人的大脑，有计算决策能力，可以进行路径规划和动态避障等。传感器则类似于人的五官，可以分为内部传感器和外部传感器，内部传感器是不依赖于外部设备的传感器，主要用于机器人内部状态的监测，如位姿、速度等，包括各种内部编码器等；外部传感器则为移动机器人提供外部环境信息的观测，包括各种激光雷达、摄像头等。驱动底盘类似于人的四肢，主要由电机、电机驱动器、底盘控制器等设备组成，通过响应中央控制器发送的指令，实时调节移动机器人的运动速度和方向，以精确到达目标位置。