基于人工勢場法的機器人軌跡規(guī)劃算法研究

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1、http://www.paper.edu.cn基于人工勢場法的機器人軌跡規(guī)劃算法研究王一，周鵬重慶工學院電子系，重慶（400050）E-mail：zjwangyizj@163.com.cn摘要：隨著科學技術的飛速發(fā)展，人工智能技術的運用已越來越廣，許多高科技領域對機器人的性能要求也越來越高。機器人的智能避障功能也應需而生，并于工業(yè)、軍事、實驗等領域投入使用。在長期發(fā)展的過程中，智能避障已逐步演化為一門獨立的學科，其中主要包含了超聲波測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器人避開障礙物，還為機器人提供了軌跡的規(guī)劃走向，所以，智能避障

2、過程又被稱為機器人軌跡規(guī)劃。本文以自主移動機器人軌跡規(guī)劃算法為主要研究對象，在了解目前幾種常見算法的基礎上，選擇性地重點研究了使用價值較高、也相對簡單的“人工勢場法”。通過比較“人工勢場法”中各層算法的優(yōu)先級別高低，對避障程序進行設計，并以此為基礎，提出了“人工勢場法”的改進方法“空地搜索法”和針對障礙物小間距測量的“貓眼測距法”，將這兩種方法與“人工勢場法”相結合，提出了一種改進的人工勢場法——“視場測搜法”。通過對“人工勢場法”和“視場測搜法”的仿真對比，證實了新算法具有較高的避障智能。關鍵詞：人工勢場法，超聲波，軌跡規(guī)劃，視場測搜法中圖分類號：

3、TP241.引言路徑規(guī)劃是移動機器人領域的一個重要組成部分。它的任務是在具有障礙物的環(huán)境中，按照一定的評價標準，尋找一條從起始狀態(tài)(包括位置及姿態(tài))到達目標狀態(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場法、柵格法、神經(jīng)網(wǎng)絡等，其中人工勢場法以其數(shù)學計算上的簡單明了被廣泛應用。勢場法的基本思想是在移動機器人的工作環(huán)境中構造這樣的一個人工勢場，勢場中包括斥力極和吸引極，不希望機器人進入的區(qū)域和障礙物定義為斥力極，目標及建議機器人進入的區(qū)域定義為引力極，使得在該勢場中的移動機器人受到其目標位姿引力場和障礙物周圍斥力場的共同作用，朝

4、目標前進。由于機器人是受引力和斥力的合力的作用，合力為零時，機器人將停止前進，即陷入局部極小點，機器人[1]不能到達目標位置。2.傳感器的分布及工作原理2.1超聲波測距原理介紹超聲波是指頻率高于20KHz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，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的原理將電能和超聲波相互轉化即在發(fā)射超聲波的時[2]候，將電能轉換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲

5、振動轉換成電信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（timeofflight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，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，t為超聲波-1-http://www.paper.edu.cn[2]從發(fā)送到接收的總時間。據(jù)此原理測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障物的分布狀況，并及時為機器人系統(tǒng)提供全面的數(shù)據(jù)，可將所需的八個超聲波測距傳感器均勻排列在機器人

6、周圍，相鄰每對傳感器互成45度角。傳感器排列示意圖如圖1所示。為了避免相互干擾，八個傳感器以程序運行周期為周期，進行循環(huán)測距。d4d3d5d2d6d1d7d0圖1傳感器分布圖3.軌跡規(guī)劃算法的實現(xiàn)方案3.1人工勢場軌跡規(guī)劃算法的設計[3]根據(jù)人工勢場法原理，可以將基于人工勢場的軌跡規(guī)劃算法分為三層進行設計。3.1.1行為控制層設計為了讓機器人識別障礙物，并進行相應動作。利用斥力原理，可設每個聲納的返回值為di，轉角de是機器人的行為輸出，表示機器人下一步的運動方向。那么，基于勢場的控制[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表示機器人左邊障礙物的迫近程度，根據(jù)圖1所示，L為第1號到第3號傳感器返回距離值的倒數(shù)和；R表示機器人右邊障礙物的迫近程度，根據(jù)圖1所示，R為[3]第5號到第7號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，相當于機器人左側(或右側)各超聲波傳感器最大探索范圍的倒數(shù)和。當左右迫近程度的值都小于最小迫近程度值時，可簡單認為機器人周圍無障礙物，機器人運行基礎控制層程序，其中的dex表示機器人要到達目的地需要轉過的角度，是一個不定值。de0表示機器人執(zhí)行行為控制層程序時，所需轉動的角度大小

8、，一般可設為[3]定值。以上述方案為基礎，為了提高機器人的避障能力，還可對設置機器人的前方迫近程度值,因為機