智能輪椅路徑規(guī)劃的優(yōu)化研究

李冬梅

摘?要：智能輪椅的不斷發(fā)展為我國(guó)的老年人與殘障人士提供了福利，輪椅之所以稱之為智能，因?yàn)槠洳恍枰獋鹘y(tǒng)輪椅的人力推動(dòng)，能夠借助電力系統(tǒng)進(jìn)行輪椅活動(dòng)，且能夠根據(jù)一定的技術(shù)對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃。現(xiàn)階段的路徑規(guī)劃依然是智能輪椅中的重要問(wèn)題，為提高老年人與殘障人士對(duì)智能輪椅的使用感，研究人員要對(duì)智能輪椅的路徑規(guī)劃方案進(jìn)行改造。文章就智能輪椅路徑規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)的論述，以為行業(yè)研究者提供參考。

關(guān)鍵詞：智能輪椅;路徑規(guī)劃;路徑優(yōu)化

智能輪椅的出現(xiàn)是基于需求而產(chǎn)生的，當(dāng)下社會(huì)老齡化問(wèn)題嚴(yán)重，智能輪椅是提高老人生活質(zhì)量的主要手段，同樣對(duì)于殘障人士來(lái)講，智能輪椅能夠幫助其進(jìn)行一定范圍的自由活動(dòng)。路徑規(guī)劃是智能輪椅的一項(xiàng)重要工作，路徑規(guī)劃能夠使輪椅在具有障礙物的環(huán)境中順利的規(guī)避障礙物，進(jìn)而尋找無(wú)碰撞路徑。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，為保障使用者的使用安全性，智能輪椅的路徑規(guī)劃也在不斷的進(jìn)行優(yōu)化。

一、智能輪椅路徑規(guī)劃問(wèn)題

路徑規(guī)劃問(wèn)題的出現(xiàn)是伴隨智能輪椅的出現(xiàn)為產(chǎn)生的，伴隨智能輪椅的不斷完善，路徑規(guī)劃問(wèn)題成為國(guó)民關(guān)注智能輪椅的重點(diǎn)。伴隨當(dāng)下科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化技術(shù)水平在逐漸提高，在硬件設(shè)備水平顯著提高后，輪椅的路徑規(guī)劃問(wèn)題得到了空前的重視。智能輪椅作為科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，其構(gòu)成是由多個(gè)硬件系統(tǒng)組成的，當(dāng)下智能輪椅市場(chǎng)較為火爆，因此各種質(zhì)量及品牌的智能輪椅層出不窮，也就在一定程度上導(dǎo)致了輪椅安全性事故的發(fā)生。

路徑規(guī)劃是對(duì)輪椅行進(jìn)路線安全性的保障，與傳統(tǒng)輪椅相比，傳統(tǒng)輪椅主要是通過(guò)人為的方向掌控進(jìn)行的障礙物規(guī)避，而智能輪椅較大的實(shí)現(xiàn)了輪椅的運(yùn)動(dòng)自主性，以此提高了使用的生活質(zhì)量。但智能輪椅不能夠根據(jù)人為意識(shí)進(jìn)行路線的規(guī)劃，需要根據(jù)智能輪椅內(nèi)部的路線規(guī)劃系統(tǒng)完成對(duì)障礙物的規(guī)避。在進(jìn)行相關(guān)的路徑規(guī)劃之后，智能輪椅會(huì)按照制定的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而保障智能輪椅運(yùn)動(dòng)的安全性。

專業(yè)的智能輪椅在造價(jià)方便較為昂貴，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與設(shè)備構(gòu)成具有一定的科學(xué)性，因此在智能輪椅的路徑規(guī)劃方面。在對(duì)智能輪椅路徑規(guī)劃的過(guò)程當(dāng)中，技術(shù)人員能夠根據(jù)受眾的使用反饋對(duì)路徑問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)的處理，另外就路徑問(wèn)題麗江，一般智能輪椅會(huì)采用超聲傳感器對(duì)路徑問(wèn)題進(jìn)行規(guī)劃。超聲傳感器能夠發(fā)出超聲波對(duì)障礙物進(jìn)行有效的識(shí)別，以幫助患者正確的使用智能輪椅。智能輪椅作為老年人與殘障人士的主要出行及運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)其來(lái)講具有重要的作用。當(dāng)下智能化輪椅往往為一體化智能設(shè)備，在后期對(duì)路徑問(wèn)題進(jìn)行二次優(yōu)化基本上是不能實(shí)現(xiàn)的，基于此相關(guān)的技術(shù)人員要加大對(duì)路徑規(guī)劃的優(yōu)化。

二、RRT路徑規(guī)劃算法

RRT算法是路徑規(guī)劃常用的算法，這一算法的原理是快速探索隨機(jī)樹(shù)，能夠通過(guò)隨機(jī)樹(shù)的對(duì)空間內(nèi)的障礙物進(jìn)行有效的計(jì)算，在多維及高維空間的使用中較多。RRT算法隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步也在進(jìn)行不斷的創(chuàng)新，改進(jìn)后的這一算法更加有利于路徑的規(guī)劃使用。改進(jìn)后的RRT算法不在進(jìn)行單一的隨機(jī)搜索計(jì)算，而是在基于地圖的基礎(chǔ)上對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的空間進(jìn)行搜索計(jì)算，地圖的有效的融合減少了計(jì)算的盲目性，加強(qiáng)了路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確性。在對(duì)智能輪椅進(jìn)行路徑規(guī)劃的優(yōu)化過(guò)程中，蜜糖擴(kuò)散思想被應(yīng)用到地圖數(shù)據(jù)的處理中，蜜糖擴(kuò)散法能夠結(jié)合快速拓展隨機(jī)樹(shù)算法進(jìn)行更加精確性的路徑規(guī)劃，合理的考量路徑范圍內(nèi)的危險(xiǎn)性因素，進(jìn)而進(jìn)行隨機(jī)措施的規(guī)劃，保障輪椅前進(jìn)路線的穩(wěn)定性，避免輪椅的不良事件。

蜜糖擴(kuò)散法。蜜糖擴(kuò)散法是一種模仿氣味傳播的思想方法，指從源頭不斷向四周輻射的算法。假設(shè)有一種氣味很重的食物被儲(chǔ)存在一個(gè)特定的地方，食物的氣味像一束光一樣散開(kāi)，距離越遠(yuǎn)，味道越淡，同樣距離的食物濃度幾乎是一樣的。

滾動(dòng)窗口算法。滾動(dòng)窗口的基本思想是根據(jù)智能輪椅實(shí)時(shí)檢測(cè)到的局部信息，通過(guò)滾動(dòng)進(jìn)行在線規(guī)劃。在軋制的每一步中，根據(jù)檢測(cè)到的局部信息，采用啟發(fā)式方法生成優(yōu)化子目標(biāo)，在當(dāng)前軋制窗口中進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前策略。隨著滾動(dòng)窗口的推進(jìn)，不斷獲得新的環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)優(yōu)化與反饋的結(jié)合。

三、仿真實(shí)驗(yàn)研究

此次的仿真研究以智能輪椅為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在VC++中進(jìn)行相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)，以研究智能輪椅路徑規(guī)劃的相關(guān)事宜。

在使用RRT算法的過(guò)程當(dāng)中，由于RRT算法經(jīng)過(guò)相關(guān)的改良，因此要對(duì)RRT算法進(jìn)行兩次不同的實(shí)驗(yàn)。在RRT算法實(shí)驗(yàn)后可知，在含有障礙物的相同環(huán)境中，兩種RRT算法會(huì)規(guī)劃出兩種不同的路徑，對(duì)兩種規(guī)劃路徑相比，改進(jìn)后的RRT算法能夠有效的規(guī)劃出最佳路線，且路線屬于空間范圍內(nèi)的最短路線，具有較高的使用價(jià)值。

構(gòu)建RRT算法基于障礙物環(huán)境，規(guī)劃了包含多個(gè)障礙物的智能輪椅的路徑。在仿真實(shí)驗(yàn)中，在所有的搜索空間中建立搜索樹(shù)，并將搜索樹(shù)中的直接連接部分作為最終的規(guī)劃路徑。從操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，RRT搜索樹(shù)作為一種隨機(jī)均勻分布的算法，可以應(yīng)用到已經(jīng)掌握的地圖環(huán)境中，進(jìn)行路徑規(guī)劃。如果是在未知的環(huán)境中，這種智能輪椅路徑規(guī)劃方法就無(wú)法得到有效的應(yīng)用。因此，為了起到一定的證明作用，可以基于RRT路徑規(guī)劃算法搜索未知狀態(tài)空間的生成。在已知障礙物環(huán)境下，利用RRT算法規(guī)劃路徑，將搜索樹(shù)的連通部分作為最終的路徑規(guī)劃圖。

將改進(jìn)的RRT算法應(yīng)用于未知環(huán)境下的路徑規(guī)劃。由于前向模式是滾動(dòng)檢測(cè)規(guī)劃，可以用于未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃過(guò)程。此時(shí)，利用蜂蜜擴(kuò)散法獲得靈感，清除滾動(dòng)窗口中的隨機(jī)數(shù)。這種規(guī)劃方法可以有效地減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，提高搜索效率和質(zhì)量，縮短尋找滿足性能要求的最短路徑所需的時(shí)間。

四、結(jié)語(yǔ)

智能輪椅在當(dāng)下的社會(huì)中使用范圍較廣，伴隨當(dāng)下科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)智能輪椅路徑規(guī)劃問(wèn)題也在不斷優(yōu)化。智能輪椅路徑規(guī)劃的優(yōu)化能夠保障智能輪椅行進(jìn)路線的安全性，有效的規(guī)避空間范圍內(nèi)的障礙物，實(shí)現(xiàn)輪椅的智能化。通過(guò)對(duì)RRT算法的仿真計(jì)算可知，改進(jìn)后的RRT算法能夠在空間范圍內(nèi)找尋最優(yōu)路線，實(shí)現(xiàn)輪椅的實(shí)施路徑規(guī)劃。

參考文獻(xiàn)：

[1]光曉亮，楊麗圓.智能體路徑規(guī)劃算法研究綜述[J].科技資訊，2019（13）.

[2]蒲興成，張軍，張毅.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)行為協(xié)調(diào)控制及其在智能輪椅路徑規(guī)劃中的應(yīng)用[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2011（05）.

項(xiàng)目：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究項(xiàng)目（ZY201819）