淺析移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的現(xiàn)狀與發(fā)展

韓金伯

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，移動機(jī)器人技術(shù)應(yīng)運而生，針對這項技術(shù)研究時，研究重點主要集中于路徑規(guī)劃技術(shù)。本文首先簡要介紹路徑規(guī)劃概念，然后分析路徑規(guī)劃方法，并對其進(jìn)行技術(shù)展望，希望本文探究能為相關(guān)技術(shù)人員提供思路，優(yōu)化移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的合理性。

關(guān)鍵詞：移動機(jī)器人；路徑；規(guī)劃

中圖分類號：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0040-02

近年來，移動規(guī)劃技術(shù)在先進(jìn)科技的輔助下不斷升級，滲透這項技術(shù)于移動機(jī)器人設(shè)備，優(yōu)選適合的路徑規(guī)劃方案，這對路徑規(guī)劃技術(shù)良好發(fā)展有重要意義，能夠擴(kuò)大這一技術(shù)應(yīng)用空間。由此可見，本文針對這一論題具體分析是極為必要的，論題探究的現(xiàn)實意義十分顯著。

1 路徑規(guī)劃概念

所謂路徑規(guī)劃，指的是機(jī)器人自起點到終點順利、安全運行的路徑，路徑規(guī)劃期間路徑規(guī)劃技術(shù)在其中起著重要作用。在此期間，應(yīng)全面掌握已知環(huán)境和未知環(huán)境，按照一定步驟進(jìn)行路徑規(guī)劃，概括來講，了解機(jī)器人對周邊信息識別情況，借此完成障礙物分類，據(jù)經(jīng)驗可知，常見規(guī)劃路徑有四類，第一類即熟知環(huán)境中，參照障礙物動態(tài)運行情況進(jìn)行路徑規(guī)劃；第二類即熟知環(huán)境中，參照障礙物靜置位置進(jìn)行路徑規(guī)劃；第三類即非熟知環(huán)境中，參照障礙物動態(tài)運行情況進(jìn)行路徑規(guī)劃；第四類即非熟知環(huán)境中，參照障礙物靜置位置進(jìn)行路徑規(guī)劃。前兩類路徑規(guī)劃技術(shù)又有全局路徑之稱，后兩類路徑規(guī)劃技術(shù)又有局部路徑之稱，下文針對這兩種路徑規(guī)劃方法具體分析[1]。

2 國內(nèi)外移動機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外移動機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

西方發(fā)達(dá)國家科學(xué)技術(shù)水平較高，并且在移動機(jī)器人方面的研究時間較早，并總結(jié)了豐富的研究經(jīng)驗。隨著生產(chǎn)、生活中移動機(jī)器人產(chǎn)品需求量不斷增多，進(jìn)而國外這類產(chǎn)品的銷量逐年增加，再加上，購買者對移動機(jī)器人在性能方面、功能方面提出了較高標(biāo)準(zhǔn)，這對移動機(jī)器人路徑規(guī)劃提出了新的要求，有利于豐富研究人員在路徑規(guī)劃方面的研究經(jīng)驗。上世紀(jì)八十年代，日本、美國、韓國等國主動加入移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)研究、外觀設(shè)計、路徑規(guī)劃等行列，并成立科研小組，以此解決軟硬件實踐問題，堅持每年推出新型產(chǎn)品。除此之外，外國研究人員注重移動機(jī)器人在細(xì)節(jié)方面的設(shè)計，并且注重功能性和實用性，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)擴(kuò)大移動機(jī)器人在各個領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，這能有效緩解人力勞動強(qiáng)度，大大提高工作效率，同時，國家科學(xué)技術(shù)水平會大大提高。應(yīng)用移動機(jī)器人的行業(yè)能夠掌握豐富的應(yīng)用技巧，并且移動機(jī)器人規(guī)劃路徑方面的經(jīng)驗?zāi)軌虿粩喾e累，最終能為路徑合理規(guī)劃提供引導(dǎo)。

2.2 國內(nèi)移動機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

相對于國外來講，我國在移動機(jī)器人方面的研究時間較短，并且現(xiàn)有研究成果不能更好的指導(dǎo)研究實踐，但我國在這一方面的研究速度較快，總結(jié)了較多的研究經(jīng)驗。我國研究學(xué)者通過調(diào)查移動機(jī)器人市場銷售情況、實際服務(wù)效果，以及操控靈敏度等內(nèi)容為路徑規(guī)劃提供建議，確保路徑規(guī)劃方案能夠更好的滿足應(yīng)用實踐。我國將移動機(jī)器人分為不同類別，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域差異，將其分為醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人、健康福利機(jī)器人、公共機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、教育機(jī)器人、家庭機(jī)器人，無論移動機(jī)器人應(yīng)用于哪個領(lǐng)域，均需要進(jìn)行路徑規(guī)劃，這不僅能夠迎合應(yīng)用需要，而且還能縮短移動機(jī)器人應(yīng)用時間，這對機(jī)器人性能完善，壽命延長有促進(jìn)作用。為了縮小我國與發(fā)達(dá)國家在移動機(jī)器人發(fā)展、路徑規(guī)劃方面的差距，我國應(yīng)主動向發(fā)達(dá)國家借鑒路徑規(guī)劃經(jīng)驗，結(jié)合我國移動機(jī)器人應(yīng)用實際，探索最佳的路徑規(guī)劃方案，這對我國移動機(jī)器人大范圍應(yīng)用有重要意義。下文針對移動機(jī)器人路徑規(guī)劃現(xiàn)狀以及路徑規(guī)劃技術(shù)展望具體分析。

3 路徑規(guī)劃方法及技術(shù)展望

3.1 路徑規(guī)劃方法

3.1.1 全局路徑

可視圖法：所謂可視圖法，即通過點設(shè)置、點連接的方式觀察直線可視效果，如果點之間連接的直線未能穿過障礙物，則證明可視效果良好?？梢晥D法能夠短時間內(nèi)找到最優(yōu)路徑，能夠大大提高單位時間內(nèi)的最短路徑搜尋效率。這種方法具體操作時，一旦近距離接觸障礙物，則最短路徑搜索時間會相應(yīng)延長，但這種現(xiàn)象無法避免，必要時應(yīng)用切線圖進(jìn)行方法補(bǔ)充，在此期間，應(yīng)注意位置設(shè)置的準(zhǔn)確性和合理性，以免路徑距離過長，同時，還能大大降低障礙物觸碰幾率。

拓?fù)浞ǎ核^拓?fù)浞?，即對?guī)劃空間按照需要有序分割，將劃分完成的子空間通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的方式探索最優(yōu)路徑。這種方法以降維法為依托，并且操作簡單，能夠提高拓?fù)淇臻g連接效率，同時，該方法能夠大大提高拓?fù)涮攸c利用效率，盡可能的縮小搜索范圍。但這一方法受障礙物數(shù)量影響較大，如果障礙物數(shù)量過多，那么應(yīng)及時修復(fù)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，以此降低算法復(fù)雜度[2]。

柵格法：所謂柵格法，指的是有序劃分機(jī)器人運行環(huán)境，并將運行環(huán)境合理分配成不同的網(wǎng)絡(luò)單元，在這一過程中，固定障礙物位置以及大小。由于柵格大小等同，借助這一方法完成機(jī)器人的空間定位，根據(jù)柵格障礙物情況對其命名，其中，無障礙物柵格、有障礙物柵格分別稱為自由柵格和障礙柵格，有選擇的應(yīng)用序號法或者直角坐標(biāo)法對其標(biāo)記。最后應(yīng)用優(yōu)化算法完成最短路徑搜索任務(wù)，并及時記錄，通過觀察柵格粒度掌握路徑規(guī)劃準(zhǔn)確性與否。

3.1.2 局部路徑

遺傳算法：這一算法應(yīng)用時，其應(yīng)用條件設(shè)置為：適應(yīng)度函數(shù)為正。全局搜索中應(yīng)用該方法，通過利用隱并行性來選擇最優(yōu)算法，因此，遺傳算法又有并行算法之稱。該方法進(jìn)行單點搜索時，能夠高效、及時獲取最優(yōu)解。遺傳算法應(yīng)用步驟主要為：合理設(shè)計編碼，并掌握編碼方法，針對性處理目標(biāo)問題；合理制定適應(yīng)度函數(shù)、目標(biāo)函數(shù)；根據(jù)移動機(jī)器人路徑規(guī)劃需要確定群體大小，妥善設(shè)置遺傳參數(shù)；形成初始群種；針對群種基因解碼處理，并計算相應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)數(shù)值；檢驗遺傳策略，優(yōu)選群種個體，以便為下代群種生成奠定良好基礎(chǔ)；參照預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)觀察種群平均適應(yīng)度，獲取最優(yōu)解。具體流程如圖1所示。

遺傳算法特點主要有：通過參數(shù)編碼、編碼操作順利完成空間限制這一方面分析；遺傳算法應(yīng)用范圍相對廣泛，它適用于解析表達(dá)，同時，還能滿足映射矩陣需要；遺傳算法個體操作期間支持多領(lǐng)域搜索，這也是遺傳算法支持并行設(shè)備計算的基本表現(xiàn)；遺傳算法適用于多樣化空間，并且搜索方法呈現(xiàn)隨機(jī)性特點；遺傳算法形式簡化，在問題處理方面、系統(tǒng)模擬方面具有良好的適用性。

人工勢場法：所謂人工勢場法，指的是以人工受力場運動狀態(tài)完成機(jī)器人運動情況的模擬，這種方法又被稱為虛擬力法。實際運動時，機(jī)器人同障礙物、目標(biāo)分別產(chǎn)生排斥力和吸引力，力周圍形成勢后，抽象力會間接移動機(jī)器人運行軌跡，最終會繞開障礙物順利行走。這一方法內(nèi)部結(jié)構(gòu)單一，在障礙物躲避中較為常用，并且能夠合理控制低層，在此期間，應(yīng)合理完善算法，以此順利消除局部極值[3]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法：所謂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，即在空間感知的基礎(chǔ)上做出相應(yīng)的空間行為，由于映射關(guān)系較復(fù)雜，應(yīng)用數(shù)學(xué)方程會增加關(guān)系呈現(xiàn)難度，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法能夠大大降低處理難度，將映射關(guān)系直觀呈現(xiàn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法實際應(yīng)用的過程中，網(wǎng)絡(luò)輸出以傳感器為依托，能夠按照人期望方面有效運動。此外，利用數(shù)據(jù)表示樣本集，并完成樣本的及時處理，樣本處理后得到最新樣本集[4]。

3.2 技術(shù)展望

即利用計算機(jī)設(shè)備、控制技術(shù)，以及傳感器設(shè)備來進(jìn)行路徑規(guī)劃。先進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的同時，路徑規(guī)劃技術(shù)越來越健全，要想大大優(yōu)化性能指標(biāo)，應(yīng)對路徑規(guī)劃技術(shù)深入研究，全面滿足移動機(jī)器人路徑規(guī)劃目標(biāo)，與此同時，盡可能多的融入傳感器信息，研制多樣化路徑規(guī)劃方法，這對路徑規(guī)劃技術(shù)完善有重要意義。由于移動機(jī)器人工作環(huán)境具有多變性特點，再加上，工作環(huán)境復(fù)雜度大大增加，要想實現(xiàn)安全性、及時性規(guī)劃任務(wù)，應(yīng)做好移動機(jī)器人以及獨立機(jī)器人的協(xié)調(diào)配合操作，針對二者路徑合理規(guī)劃。需要注意的是，多傳感器信息及時傳遞，應(yīng)全面保證信息的準(zhǔn)確性，這也是移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的最新研究方向，需要研究人員集中精力，在這一方面積累豐富研究經(jīng)驗[5]。

移動機(jī)器人路徑規(guī)劃方法具有一定局限性，對此，應(yīng)在局限彌補(bǔ)的基礎(chǔ)上，探究移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)。首先，注重移動機(jī)器人與先進(jìn)技術(shù)的良好結(jié)合，因為先進(jìn)技術(shù)及時應(yīng)用能夠克服傳統(tǒng)技術(shù)的不足，大大優(yōu)化路徑規(guī)劃效果。其次，做好路徑規(guī)劃算法與機(jī)器人底層控制相結(jié)合的基本工作，主要通過實踐路徑規(guī)劃算法來總結(jié)實際經(jīng)驗，這一方面的研究作為當(dāng)前路徑規(guī)劃的主要研究方向，有利于提高路徑規(guī)劃技術(shù)的實用性。然后，深入研究任務(wù)分配以及通信協(xié)作等內(nèi)容，例如，移動機(jī)器人參與足球賽、合作搜救等任務(wù)，這類任務(wù)對協(xié)作配合能力要求較高，并且涉及內(nèi)容十分廣泛，如果能夠高效處理多任務(wù)分配問題，那么路徑規(guī)劃合理性會相應(yīng)增強(qiáng)，并且路徑規(guī)劃問題能夠順利解決。最后，研究空中機(jī)器人、水下機(jī)器人，因為當(dāng)前移動機(jī)器人研究活動主要集中于陸地，例如，收割機(jī)器人、足球機(jī)器人等，針對惡劣外界環(huán)境機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，受限于試驗活動，進(jìn)而會加大路徑規(guī)劃難度，因此，需要專業(yè)技術(shù)人員深入探究。除此之外，研究三維環(huán)境下移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)，這能大大滿足移動機(jī)器人的應(yīng)用需要，同時，有利于明確移動機(jī)器人路徑規(guī)劃方向和目標(biāo)，這對路徑規(guī)劃技術(shù)大范圍推廣有重要意義。

4 結(jié)語

綜上所述，移動機(jī)器人是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，對其進(jìn)行路徑規(guī)劃時，應(yīng)考慮所選方法的適用性，同時，掌握全局規(guī)劃方法、局部規(guī)劃方法的應(yīng)用技巧，這不僅能夠提高擴(kuò)大路徑規(guī)劃技術(shù)應(yīng)用范圍，而且還能為相關(guān)研究人員在路徑規(guī)劃方面拓展思路。除此之外，我國還應(yīng)主動向發(fā)達(dá)國家借鑒先進(jìn)經(jīng)驗，結(jié)合移動機(jī)器人在我國的應(yīng)用實際，探索移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的合理方法，這對路徑規(guī)劃技術(shù)發(fā)展前景拓展有重要意義，能夠大大拓展路徑規(guī)劃技術(shù)應(yīng)用范圍，并取得良好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

[1]徐兆輝.移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016，（03）：43.

[2]蘇坤.未知環(huán)境下移動機(jī)器人路徑規(guī)劃方法研究[D].上海工程技術(shù)大學(xué)，2016.

[3]潘杰.基于改進(jìn)蟻群算法的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，41（1）：108-113.

[4]高申勇，許方鎮(zhèn)，郭鴻杰.基于彈簧模型的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃研究[J].儀器儀表學(xué)報，2016， 37（4）：796-803.

[5]張毅，代恩燦，羅元.基于改進(jìn)遺傳算法的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃[J].計算機(jī)測量與控制，2016， 24（1）：313-316.