移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)綜述

孫　梅

（湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,湖南 常德 415000）

移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)綜述

孫梅

（湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,湖南 常德 415000）

移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能夠促進(jìn)智能化應(yīng)用的良好發(fā)展。路徑規(guī)劃技術(shù)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能的主要技術(shù)之一。路徑規(guī)劃技術(shù)主要包含局部規(guī)劃技術(shù)以及全局規(guī)劃技術(shù)等。本文從路徑規(guī)劃技術(shù)的作用入手，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行研究和分析。

移動(dòng)機(jī)器人;路徑規(guī)劃技術(shù);綜述

0　前言

移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)涉及自動(dòng)控制、智能、機(jī)械等多種學(xué)科。它通常被應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域等方面。從整體角度來(lái)講，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用促進(jìn)了生產(chǎn)效率的顯著提升。路徑規(guī)劃技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一，研究該技術(shù)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1　路徑規(guī)劃技術(shù)的作用

將路徑規(guī)劃技術(shù)應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人中，能夠產(chǎn)生的作用主要包含以下幾種：

（1）運(yùn)動(dòng)方面。路徑規(guī)劃技術(shù)的主要作用是其能夠保證移動(dòng)機(jī)器人完成從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。（2）障礙物方面。設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人的最終目的是將其應(yīng)用在實(shí)際環(huán)境中，在實(shí)際環(huán)境下，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行路線中可能存在一定數(shù)量的障礙物，為了保證最終目的地的順利達(dá)到，需要利用路徑規(guī)劃技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的有效避開(kāi)[1]。（3）運(yùn)行軌跡方面。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人而言，除了實(shí)現(xiàn)障礙物躲避、達(dá)到最終目的地這兩種作用之外，應(yīng)用路徑規(guī)劃技術(shù)還可以產(chǎn)生一定的優(yōu)化運(yùn)行軌跡作用。在移動(dòng)機(jī)器人的使用過(guò)程中，在路徑規(guī)劃技術(shù)的作用下，機(jī)器人可以完成對(duì)最佳運(yùn)行路線的判斷，進(jìn)而更好地完成相應(yīng)任務(wù)。

2　移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)綜述

移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃技術(shù)主要包含以下幾種：

2.1 局部路徑規(guī)劃方面

在局部路徑規(guī)劃方面，能夠被應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人中的技術(shù)主要包含以下幾種：

（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃技術(shù)。從本質(zhì)上講，可以將移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃看成是空間到行為空間感知過(guò)程的一種映射，因此，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式將其表現(xiàn)出來(lái)。就神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃技術(shù)而言，首先需要將相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)當(dāng)成網(wǎng)絡(luò)輸入，并將網(wǎng)絡(luò)輸出看成是某固定場(chǎng)合中期望運(yùn)動(dòng)方向角增量。在這種情況下，原始樣本集則可以用不同選定位置對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)代替。為了保證樣本集數(shù)據(jù)的有效性，需要將原始樣本集中的沖突樣本數(shù)據(jù)以及重復(fù)樣本數(shù)據(jù)剔除掉。對(duì)最終樣本集應(yīng)用模糊規(guī)則，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效訓(xùn)練。當(dāng)?shù)湫蜆颖緦W(xué)習(xí)完成之后，移動(dòng)機(jī)器人對(duì)規(guī)則的掌握水平發(fā)生了顯著提升，進(jìn)而使得移動(dòng)機(jī)器人在產(chǎn)生智能性能的基礎(chǔ)上，順利完成相應(yīng)運(yùn)動(dòng)[2]。

（2）人工勢(shì)場(chǎng)路徑規(guī)劃技術(shù)。這種規(guī)劃技術(shù)是指，將移動(dòng)機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)成其在虛擬人工受力場(chǎng)中的一種運(yùn)動(dòng)。在虛擬人工受力場(chǎng)中，目標(biāo)終點(diǎn)會(huì)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生一定的引力，而該受力場(chǎng)中的障礙物則會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的斥力。在某固定算法的作用下，這兩種不同的作用力會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的勢(shì)，進(jìn)而形成勢(shì)場(chǎng)。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人在該場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，勢(shì)場(chǎng)中的抽象力會(huì)作用在移動(dòng)機(jī)器人上，使得其完成對(duì)障礙物的有效避開(kāi)。在人工勢(shì)場(chǎng)路徑規(guī)劃技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等因素的影響，移動(dòng)機(jī)器人在到達(dá)終點(diǎn)之前可能會(huì)停留在局部最優(yōu)點(diǎn)位置上。對(duì)此，需要從數(shù)學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)勢(shì)場(chǎng)方程進(jìn)行重新定義，通過(guò)這種方式排除勢(shì)場(chǎng)中的局部極值，繼而保證移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的順利進(jìn)行[3]。

（3）遺傳路徑規(guī)劃技術(shù)。這種路徑規(guī)劃技術(shù)建立在自然遺傳機(jī)制等理論的基礎(chǔ)上。這種技術(shù)通過(guò)變異、選擇以及交叉對(duì)控制機(jī)構(gòu)的正確計(jì)算程序進(jìn)行合理編制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)方式基礎(chǔ)上生物進(jìn)化過(guò)程的合理模擬。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人的適應(yīng)度函數(shù)為正數(shù)時(shí)，允許適應(yīng)度函數(shù)具有不連續(xù)或不可導(dǎo)特點(diǎn)。由于這種路徑規(guī)劃技術(shù)不涉及梯度信息，因此其能夠更好地解決移動(dòng)機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。遺傳路徑規(guī)劃技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于，它能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤與規(guī)劃的同時(shí)進(jìn)行，因此，遺傳路徑規(guī)劃技術(shù)通常被應(yīng)用在具有時(shí)變特點(diǎn)的未知環(huán)境中。

2.2 全局路徑規(guī)劃方面

在該方面，可以被應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人中的技術(shù)主要包含以下幾種：

（1）柵格路徑規(guī)劃技術(shù)。這種技術(shù)是指，在將實(shí)際工作環(huán)境分成許多包含二值信息的網(wǎng)格單元的基礎(chǔ)上，應(yīng)用優(yōu)化算法完成最佳路徑的規(guī)劃搜索。在這種規(guī)劃技術(shù)中，其網(wǎng)格單元通常是由八叉樹(shù)或者四叉樹(shù)的方式表示出來(lái)。在該技術(shù)的應(yīng)用中，柵格的作用是完成相關(guān)環(huán)境信息的記錄。如果柵格中某位置的累計(jì)值相對(duì)較低，代表移動(dòng)機(jī)器人可以從該位置通過(guò)；如果柵格中某個(gè)位置的累計(jì)值相對(duì)較高，則表示該位置存在障礙物，此時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人需要利用優(yōu)化算法將該障礙物避開(kāi)[4]。

（2）可視圖路徑規(guī)劃技術(shù)。這種路徑規(guī)劃技術(shù)是指，將整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人看成一個(gè)點(diǎn)，然后分別將其與障礙物以及目標(biāo)終點(diǎn)連接起來(lái)，上述連線要求為保證所連直線不會(huì)碰觸障礙物。當(dāng)所有連線都連完之后，即完成了一整張可視圖。在該可視圖中，由于起點(diǎn)到目標(biāo)終點(diǎn)之間的連線都不涉及障礙物，因此上述所有連線都屬于有效直線。在這種情況下，需要解決的問(wèn)題主要是從這些連線中找出一條距離最短的連線。對(duì)此，需要應(yīng)用優(yōu)化算法將可視圖中距離較長(zhǎng)的連線刪除，這種處理方式能夠有效提升移動(dòng)機(jī)器人的搜索時(shí)間。

（3）拓?fù)渎窂揭?guī)劃技術(shù)。這種規(guī)劃技術(shù)是指，將移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)范圍，即規(guī)劃區(qū)域分成多個(gè)具有拓?fù)涮卣鞯淖涌臻g，然后利用不同子空間之間的連通性完成拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后，直接從網(wǎng)絡(luò)中找出能夠使得機(jī)器人順利從起點(diǎn)移動(dòng)到終點(diǎn)的拓?fù)渎窂剑瑢⑺玫耐負(fù)渎窂阶鳛閰⒖家罁?jù)完成幾何路徑的計(jì)算。這種規(guī)劃技術(shù)的劣勢(shì)主要表現(xiàn)為其拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過(guò)程較為復(fù)雜。但這種規(guī)劃技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人搜索空間的有效縮小[5]。

3　結(jié)論

路徑規(guī)劃技術(shù)主要分為局部規(guī)劃和全局規(guī)劃兩方面。這兩方面分別包含人工勢(shì)場(chǎng)路徑規(guī)劃技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃技術(shù)等。應(yīng)用這些規(guī)劃技術(shù)之后，移動(dòng)機(jī)器人可以在避開(kāi)障礙物的基礎(chǔ)上，順利完成起點(diǎn)到終點(diǎn)最優(yōu)運(yùn)行軌跡的運(yùn)動(dòng)。

[1]朱大奇,顏明重.移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)綜述[J].控制與決策,2010(07):961-967.

[2]張捍東,鄭睿,岑豫皖.移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005(02):439-443.

[3]鮑慶勇,李舜酩,沈峘,門(mén)秀花.自主移動(dòng)機(jī)器人局部路徑規(guī)劃綜述[J].傳感器與微系統(tǒng),2009(09):1-4+11.

[4]孔峰,陶金,謝超平.移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)研究[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào),2009(04):70-74.

[5]鄔再新,李艷宏,劉濤.多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)械,2008(01):1-3+16.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.135

名稱：基于ARDUINO模塊化裝卸機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)（省教育廳 13C602 ）