随着智能机器人逐渐融入人类的生活和工作，人类与具有不同程度智能的自主机器人交互式工作正成为必然趋势。但是，由于人机交互机会增多，以及机器人控制缺陷和人类的误操作，出现了非常多的机器人导致人类受伤的案例。工业机器人安全标准修订速度的加快，经典导航方法被证实存在安全隐患，说明安全问题是自主机器人应用发展面临的重要问题。　　导航控制是自主机器人研究的基本问题，但是由于未知环境的复杂、动态和不确定性，安全导航控制仍然是开放性难题。由于机器人导航控制的安全问题是一个综合性问题，需要从导航控制方法、环境感知表示方法、控制协调等多方面着手才能提高机器导航的安全性。本文研究自主移动机器人导航的安全与行为涌现问题。以基于行为的机器人控制理论为基础，以行为动力学方法为导航算法，以导航的安全为主要研究内容，分别针对行为动力学导航方法、障碍物的表示和环境感知、行为协调控制、环境存在的不可避免碰撞状态分别进行研究，旨在提出一种较为全面的自主移动机器人安全解决办法。涌现行为是多个基本反射行为执行序列复杂的组合，发现涌现行为是研究复杂行为安全性的前提，在研究自主机器人安全导航的同时，进而讨论由基本反射行为组成的导航行为是否存在复杂外显的涌现行为，并针对一种因行为协调抖动而形成的涌现行为进行了优化。本文主要研究内容如下：　　1.经典行为动力学导航方法的改进。行为动力学导航方法是一种基于行为的机器人导航控制的经典方法，在阐述基于行为的机器人设计方法时，证实经典行为动力学导航方法存在航向角吸引子在导航过程中随时变化的问题，当吸引子随时变化时，将增大控制难度，一般经典行为动力学导航方法要求机器人以较低低速运动，保证吸引子在导航中近似不变，限制了其应用范围。为此，提出一种航向角跟随控制方法，可以提高行为动力学导航控制机器人导航的线速度，并可以避免机器人的航向角在吸引子周围抖动，同时可以揭示航向角和线速度控制存在内在联系。仿真研究表明，提出的改进方法可以保证移动机器人达到实际需要的线速度。　　2.障碍物描述和环境表示方法研究。障碍物描述和环境表示为导航控制提供输入信息，准确可靠的信息输入是导航安全的前提。经典的基于位置、速度信息的障碍物描述不能保证安全导航的需要，在障碍物描述时应该体现障碍物的运动趋势、障碍物的遮蔽区域和碰撞危险程度等信息，才能更好地保证机器人在未知动态环境中安全导航。为此，提出可感知速度障碍物描述方法，该方法包括障碍物运动预测和障碍物遮蔽区域描述；在此基础上，提出一种接触时间空间环境表示方法，该方法利用接触时间表示碰撞危险程度；由于传感器感知环境存在误差，提出一种接触时间一占据滤波减小环境感知误差，为机器人安全导航提供可靠的环境描述信息。仿真研究表明，提出的环境表示方法可以有效地提高机器人导航的安全性。　　3.导航行为协调控制研究。导航行为是利用基本反射行为控制机器人到达规定目标位置过程的整体行为，导航行为需要在机器人导航过程中通过行为协调控制方法组织基本反射行为的执行来实现。复杂的协调控制会增大机器人的控制难度，例如出现类似“局部最小值”等问题。为此，提出一种学习自动机行为协调方法，通过学习决策时间控制保证行为协调的实时性，通过行为动机控制动态调节学习自动机的学习速率，保证每一时刻仅有一个基本反射行为被执行，这样行为协调控制结果是最简单的，降低了机器人控制的难度。仿真研究表明，提出的行为协调控制方法可以有效地解决经典行为动力学导航方法中存在的航向角“伪吸引子”问题，提高了机器人的导航安全性。　　4.导航中不可避免碰撞状态获取研究。在机器人导航过程中，存在一种无论机器人做何种控制操作，都将最终与障碍物发生碰撞的状态，即不可避免碰撞状态。只有获取该状态，并增加到环境表示中才能保证机器人导航的安全性。为此，提出利用混合系统理论获取不可避免碰撞状态的方法，给出不可避免碰撞状态等概念在混合系统理论描述的基本定义，证实不可避免碰撞状态是混合系统理论中以障碍物为目标形成的最大严格可达集，并利用水平集及时变哈密顿一雅克比方程的求解方法获得不可避免碰撞状态计算方法。仿真研究表明，提出的方法可以保证机器人在运动过程中实时获取不可避免碰撞状态，增强障碍物描述，使机器人导航更加安全。　　5.涌现行为的发现及优化研究。机器人在导航过程中与环境交互时，由于环境的复杂多变，机器人也同样会表现出复杂多变的外显性涌现行为，这种无法事先设计的行为需要在机器人导航时发现，并总结其执行规律，保证综合行为是安全可靠的。为此，利用递归图方法定性分析机器人导航的航向角时间序列，证实当每一时刻仅有简单反射行为执行时，机器人同样会产生复杂的涌现行为；提出利用预测信息更新一阶白回归方程参数实时探测导航过程中机器人行为变化的方法，该方法可以发现能够近似表达为一阶白回归方程的涌现行为；针对因行为协调抖动而形成的“沿墙走”涌现行为，提出将沿墙前行方向作为机器人在该行为执行时的“暂时”航向角吸引子，利用趋向目标基本反射行为完成“沿墙走”，可以使导航更优。　　6.以自主研发的轮式移动机器人为研究对象，构建试验平台和试验方案，结合安全导航的研究内容，进行了试验验证，初步证实提出的理论方法的有效性。