研究嵌入式智能機(jī)器人路徑規(guī)劃運(yùn)用

徐瑤　王春玲　楊思想　秦麗云

【摘 要】摘要：隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，路徑規(guī)劃在嵌入式智能機(jī)器人的研究中得到廣泛應(yīng)用。本文主要對嵌入式智能機(jī)器人路徑技術(shù)和智能機(jī)器人路徑規(guī)劃的算法進(jìn)行研究，提出了以嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能機(jī)器人的路徑算法。

【關(guān)鍵詞】智能機(jī)器人；路徑規(guī)劃；應(yīng)用

路徑規(guī)劃在嵌入式智能機(jī)器人的研究過程中有重要的意義。隨著我國科學(xué)技術(shù)的提高，機(jī)器人技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，我國智能機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步的最顯著特征是嵌入式系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)具體集成度較高、功耗較低等方面的優(yōu)勢，不僅可以充分滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在一定程度上還能夠使控制軟件的開發(fā)工作變得簡化。

1 嵌入式智能機(jī)器人路徑技術(shù)的研究

智能機(jī)器人路徑規(guī)劃是指處于有障礙物的工作條件下，如何尋找一條適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動路徑（從給定起點(diǎn)到終點(diǎn)），在運(yùn)動過程中，使機(jī)器人能夠安全的規(guī)避全部障礙物。

（1）嵌入式智能機(jī)器人路徑規(guī)劃的發(fā)展趨勢

從近些年的研究成果來看，有以下趨勢：第一，以功能或行為為基礎(chǔ)的智能機(jī)器熱的路徑規(guī)劃。以功能或行為為基礎(chǔ)的機(jī)器人具有一種典型的慎思結(jié)構(gòu)，又被稱為基于功能的控制體系結(jié)構(gòu)，其主要內(nèi)容是基于模型自頂向下的感知、建模、規(guī)劃和動作。智能機(jī)器人路徑規(guī)劃問題，建模時(shí)，能夠設(shè)置成為有約束性的規(guī)劃問題，確保機(jī)器人能夠完成路徑規(guī)劃、路徑規(guī)避和定位等方面的任務(wù)。由于不同的機(jī)器人掌握信息環(huán)境的程度存在差異，可將智能機(jī)器人的路徑規(guī)劃分為兩種，其一是以傳感器為基礎(chǔ)的局部路徑規(guī)劃，具體是獲知了作業(yè)環(huán)境中的所有信息，主要包括：自由空間法、構(gòu)型空間法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等；其二是以模型為基礎(chǔ)的全局路徑規(guī)劃，具體是指已經(jīng)全部獲知或部分獲知作業(yè)環(huán)境中的信息，主要包括混合法、滾動窗口法、人工勢場法等。第二，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等一系列算法不斷涌現(xiàn)并相互結(jié)合形成新的算法。第三，智能機(jī)器人的系統(tǒng)路徑規(guī)劃。智能機(jī)器人的工作環(huán)境逐漸復(fù)雜化，再加上工作任務(wù)的增加，單智能機(jī)器人無法負(fù)荷這樣的工作要求。因此，將會出現(xiàn)單個(gè)智能機(jī)器人路徑規(guī)劃與多智能機(jī)器人的合作相結(jié)合的發(fā)展趨勢。

（2）機(jī)器人智能規(guī)劃中的特點(diǎn)

智能機(jī)器人路徑規(guī)劃中主要存在以下特點(diǎn)，①復(fù)雜性，是指環(huán)境復(fù)雜，機(jī)器人的路徑規(guī)劃復(fù)雜，且路徑規(guī)劃過程中需要很大的計(jì)算量支持。②隨機(jī)性，是指工作環(huán)境的變化復(fù)雜，存在較多的不確定因素和隨機(jī)性。③約束性，在機(jī)器人運(yùn)動的過程中，其速度、形狀等方面均存在約束。

2 智能機(jī)器人路徑規(guī)劃的算法研究

（1）局部路徑規(guī)劃算法研究

1）模糊邏輯控制法

在環(huán)境模型不完善的情況下，可以使用模糊邏輯算法。這種算法的推理和計(jì)算簡單，對傳感器信息的要求較低，且對機(jī)器人的行為有較高的穩(wěn)定性、一致性以及連續(xù)性，能夠有效的解決在路徑規(guī)劃過程中遇到的一些問題。雖然這種算法能夠圓滿的解決未知環(huán)境下的規(guī)劃問題，但仍存在靈活性較差、無法學(xué)習(xí)的不足之處。

2）遺傳算法

遺傳算法是解決最佳化的搜索方法，屬于進(jìn)化算法的一種。這種算法最初借鑒了進(jìn)化生物學(xué)中突變、自然選擇、交叉和變異等現(xiàn)象而發(fā)展起來的，它采用群體搜索技術(shù)，實(shí)施選擇、交叉、變異等一系列遺傳操作后，使種群在迭代中不斷進(jìn)化。這種算法的理論推導(dǎo)簡單，問題的最優(yōu)解能夠直接得出。遺傳算法的基本思想是路徑轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制串，首先將路徑群體實(shí)施初始化操作，然后對路徑群體實(shí)施選擇、復(fù)制等一系列遺傳操作。通過多次進(jìn)化后，達(dá)到最佳的進(jìn)化狀態(tài)，停止進(jìn)化并將當(dāng)前存在的最優(yōu)個(gè)體輸出。雖然遺傳算法得推導(dǎo)理論簡單，但路徑規(guī)劃過程中仍存在效率低、個(gè)體編碼不合理等問題。

（2）全局路徑規(guī)劃算法研究

1）構(gòu)型空間法

構(gòu)型空間法主要包括優(yōu)化算法和可視圖法。第一，優(yōu)化算法。第二，可視圖算法。路徑圖主要由機(jī)器人中的一維網(wǎng)絡(luò)曲線自由空間中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。因此，在同路徑圖中，路徑初始狀態(tài)的點(diǎn)一一與目標(biāo)狀態(tài)的點(diǎn)相對應(yīng)，從而促使點(diǎn)間搜索路徑問題替代了路徑規(guī)劃問題。這就要求點(diǎn)與點(diǎn)之間的連線是無法穿越障礙物，即機(jī)器人與障礙物點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)與障礙物點(diǎn)、以及頂點(diǎn)與障礙物頂點(diǎn)之間的連線是可視的，然后，采取有效的搜索方法，搜索最優(yōu)路徑（起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)），從而使搜索最優(yōu)路徑問題演變?yōu)榭梢曋本€最短距離的問題?？梢晥D法雖然能夠得到最短路徑。第二，優(yōu)化算法。采用優(yōu)化算法時(shí)，為了簡化可視圖和減少路徑搜索時(shí)間，有部分可有可無的連線可以刪除，最終實(shí)現(xiàn)求得最短路徑的目的。

2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一種自適應(yīng)非線性動態(tài)系統(tǒng)，主要是由大量神經(jīng)元組成。在工作環(huán)境廣泛、精度要求高的條件下，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法表示環(huán)境，將會取得顯著效果。在全局路徑規(guī)劃中應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，能夠?qū)⒄系K約束變成懲罰函數(shù)，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來描述碰撞懲罰函數(shù)進(jìn)而將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束最優(yōu)問題，實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，但整體應(yīng)用于路徑規(guī)劃中的效果不明顯，這是因?yàn)橹悄軝C(jī)器人的工作環(huán)境復(fù)雜，并伴有一定的隨機(jī)性，數(shù)學(xué)公式無法進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。

3 嵌入式智能機(jī)器人路徑規(guī)劃算法的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

嵌入式智能機(jī)器人的組成部分主要有驅(qū)動控制器和嵌入式微處理器。嵌入式智能機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)有較高的可擴(kuò)展性、良好的獨(dú)立性以及較小的功耗等特征，且能夠得到嵌入式系統(tǒng)的充分支持。嵌入式智能機(jī)器人的主板是機(jī)器人的大腦，主要擔(dān)任機(jī)器人運(yùn)動過程中的實(shí)時(shí)計(jì)算工作。隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，為智能機(jī)器人的路徑規(guī)劃算法的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)用提供了無限的可能性，再加上以S OC 技術(shù)為基礎(chǔ)的高性能32位嵌入式微處理器的廣泛應(yīng)用，為智能機(jī)器人研究領(lǐng)域中，引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)這將是機(jī)電控制系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。嵌入式智能機(jī)器人路徑算法的主要從獲取和決策兩方面實(shí)現(xiàn)，獲取是指通過感知系統(tǒng)獲取所需要的環(huán)境信息，決策是指通過決策運(yùn)算后，得出的控制數(shù)據(jù)由伺服控制系統(tǒng)接收，同還能夠?qū)崿F(xiàn)與其他機(jī)器人的通訊和人機(jī)交互。嵌入式智能機(jī)器人路徑規(guī)劃的運(yùn)用，需要嵌入式操作系統(tǒng)有較好的實(shí)時(shí)性、可靠性，并對系統(tǒng)成本提出了更高的要求，此外，根據(jù)系統(tǒng)擁有的定制和裁減的特點(diǎn)，在開展多任務(wù)管理的同時(shí)也能夠保證工作的實(shí)時(shí)性能。嵌入式智能機(jī)器人路徑算法，不需要使用復(fù)雜的系統(tǒng)即功能，如文件系統(tǒng)等。嵌入式智能機(jī)器人路徑技術(shù)的研究重點(diǎn)主要在仿人智能和仿生智能兩方面，隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式智能機(jī)器人與多種學(xué)科交叉和結(jié)合，比如，人工智能、認(rèn)知科學(xué)等，使其智能化的行為程度不斷的提升。此外，嵌入式系統(tǒng)還適用于在功能、體積等方面有嚴(yán)格規(guī)定的專業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具體專用性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、微內(nèi)核精簡等優(yōu)勢，由此可見將嵌入式智能機(jī)器人路徑規(guī)劃算法與嵌入式技術(shù)相結(jié)合是未來智能化機(jī)器人的重要發(fā)展方向。

4 總結(jié)

隨著我國科技水平的不斷提高，遙感技術(shù)、控制技術(shù)等諸多技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在智能機(jī)器人研究領(lǐng)域，嵌入式智能機(jī)器人路徑技術(shù)也已經(jīng)取得了顯著的成就。在未來的機(jī)器人系統(tǒng)中，遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯控制法等將會進(jìn)一步應(yīng)用于嵌入式智能機(jī)器人的研究中，使機(jī)器人的各方面性能得到顯著提升。

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