基于人工勢(shì)場法的機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法研究

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1、http://www.paper.edu.cn基于人工勢(shì)場法的機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法研究王一，周鵬重慶工學(xué)院電子系，重慶（400050）E-mail：zjwangyizj@163.com.cn摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人工智能技術(shù)的運(yùn)用已越來越廣，許多高科技領(lǐng)域?qū)C(jī)器人的性能要求也越來越高。機(jī)器人的智能避障功能也應(yīng)需而生，并于工業(yè)、軍事、實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域投入使用。在長期發(fā)展的過程中，智能避障已逐步演化為一門獨(dú)立的學(xué)科，其中主要包含了超聲波測(cè)距原理的研究和避障算法的研究。由于避障過程解決的不只是機(jī)器人避開障礙物，還為機(jī)器人提供了軌跡的規(guī)劃走向，所以，智能避障

2、過程又被稱為機(jī)器人軌跡規(guī)劃。本文以自主移動(dòng)機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法為主要研究對(duì)象，在了解目前幾種常見算法的基礎(chǔ)上，選擇性地重點(diǎn)研究了使用價(jià)值較高、也相對(duì)簡單的“人工勢(shì)場法”。通過比較“人工勢(shì)場法”中各層算法的優(yōu)先級(jí)別高低，對(duì)避障程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以此為基礎(chǔ)，提出了“人工勢(shì)場法”的改進(jìn)方法“空地搜索法”和針對(duì)障礙物小間距測(cè)量的“貓眼測(cè)距法”，將這兩種方法與“人工勢(shì)場法”相結(jié)合，提出了一種改進(jìn)的人工勢(shì)場法——“視場測(cè)搜法”。通過對(duì)“人工勢(shì)場法”和“視場測(cè)搜法”的仿真對(duì)比，證實(shí)了新算法具有較高的避障智能。關(guān)鍵詞：人工勢(shì)場法，超聲波，軌跡規(guī)劃，視場測(cè)搜法中圖分類號(hào)：

3、TP241.引言路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。它的任務(wù)是在具有障礙物的環(huán)境中，按照一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條從起始狀態(tài)(包括位置及姿態(tài))到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)(包括位置及姿態(tài))的無碰路徑。目前常用到的路徑規(guī)劃方法主要有人工勢(shì)場法、柵格法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，其中人工勢(shì)場法以其數(shù)學(xué)計(jì)算上的簡單明了被廣泛應(yīng)用。勢(shì)場法的基本思想是在移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境中構(gòu)造這樣的一個(gè)人工勢(shì)場，勢(shì)場中包括斥力極和吸引極，不希望機(jī)器人進(jìn)入的區(qū)域和障礙物定義為斥力極，目標(biāo)及建議機(jī)器人進(jìn)入的區(qū)域定義為引力極，使得在該勢(shì)場中的移動(dòng)機(jī)器人受到其目標(biāo)位姿引力場和障礙物周圍斥力場的共同作用，朝

4、目標(biāo)前進(jìn)。由于機(jī)器人是受引力和斥力的合力的作用，合力為零時(shí)，機(jī)器人將停止前進(jìn)，即陷入局部極小點(diǎn)，機(jī)器人[1]不能到達(dá)目標(biāo)位置。2.傳感器的分布及工作原理2.1超聲波測(cè)距原理介紹超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化即在發(fā)射超聲波的時(shí)[2]候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲

5、振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（timeofflight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即：D=c*t/2（2-1）其中,D為傳感器與障礙物之間的距離，c為超聲波速度，這里以340m/s計(jì)，t為超聲波-1-http://www.paper.edu.cn[2]從發(fā)送到接收的總時(shí)間。據(jù)此原理測(cè)得的距離為避障程序提供數(shù)據(jù)。2.2超聲波傳感器的分布為了全方位檢測(cè)障物的分布狀況，并及時(shí)為機(jī)器人系統(tǒng)提供全面的數(shù)據(jù)，可將所需的八個(gè)超聲波測(cè)距傳感器均勻排列在機(jī)器人

6、周圍，相鄰每對(duì)傳感器互成45度角。傳感器排列示意圖如圖1所示。為了避免相互干擾，八個(gè)傳感器以程序運(yùn)行周期為周期，進(jìn)行循環(huán)測(cè)距。d4d3d5d2d6d1d7d0圖1傳感器分布圖3.軌跡規(guī)劃算法的實(shí)現(xiàn)方案3.1人工勢(shì)場軌跡規(guī)劃算法的設(shè)計(jì)[3]根據(jù)人工勢(shì)場法原理，可以將基于人工勢(shì)場的軌跡規(guī)劃算法分為三層進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.1.1行為控制層設(shè)計(jì)為了讓機(jī)器人識(shí)別障礙物，并進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。利用斥力原理，可設(shè)每個(gè)聲納的返回值為di，轉(zhuǎn)角de是機(jī)器人的行為輸出，表示機(jī)器人下一步的運(yùn)動(dòng)方向。那么，基于勢(shì)場的控制[3]行為可以表示為式3-1。dexL

7、=de0R>=L（3-1）-de0L>R式3-1中的L表示機(jī)器人左邊障礙物的迫近程度，根據(jù)圖1所示，L為第1號(hào)到第3號(hào)傳感器返回距離值的倒數(shù)和；R表示機(jī)器人右邊障礙物的迫近程度，根據(jù)圖1所示，R為[3]第5號(hào)到第7號(hào)傳感器返回距離值的倒數(shù)和。Mmin為障礙物的最小迫近程度值，相當(dāng)于機(jī)器人左側(cè)(或右側(cè))各超聲波傳感器最大探索范圍的倒數(shù)和。當(dāng)左右迫近程度的值都小于最小迫近程度值時(shí)，可簡單認(rèn)為機(jī)器人周圍無障礙物，機(jī)器人運(yùn)行基礎(chǔ)控制層程序，其中的dex表示機(jī)器人要到達(dá)目的地需要轉(zhuǎn)過的角度，是一個(gè)不定值。de0表示機(jī)器人執(zhí)行行為控制層程序時(shí)，所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小

8、，一般可設(shè)為[3]定值。以上述方案為基礎(chǔ)，為了提高機(jī)器人的避障能力，還可對(duì)設(shè)置機(jī)器人的前方迫近程度值,因?yàn)闄C(jī)