基于人工勢場與紅外檢測的機(jī)器人路徑規(guī)劃

王 超 周松林

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244061）

一、引言

路徑規(guī)劃與避障技術(shù)是近年來發(fā)展較為迅速的一門學(xué)科，尤其是在移動(dòng)機(jī)器人[1]領(lǐng)域。如果僅僅為了到達(dá)目標(biāo)，到達(dá)作業(yè)效果，傳統(tǒng)的人工勢場算法基本能實(shí)現(xiàn)[2-3]。但現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)還存在不足，為了提高機(jī)器人的自主性和智能性[4-6]，針對復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境，各種特殊的障礙物有它一定的不確定因素，很容易讓機(jī)器人陷入平行移動(dòng)或靜止等待等情況[7-8]。

紅外檢測技術(shù)有著自身的特地優(yōu)點(diǎn)，例如，能耗小、安裝方便、反應(yīng)迅速、便于控制等。可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域，尤其是在避障技術(shù)方面，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但由于自身的局限性，對于有目標(biāo)的作業(yè)，和未知的環(huán)境中，就無法預(yù)先知道障礙的運(yùn)行情況和距離范圍，很難發(fā)揮它的自主性和智能性。

因此，針對移動(dòng)機(jī)器人的自身特性，結(jié)合復(fù)雜環(huán)境作業(yè)等特點(diǎn)，如何快速、準(zhǔn)確地找到一條最優(yōu)路徑成為研究問題的關(guān)鍵。

二、人工勢場與紅外檢測路徑規(guī)劃算法

下面首先對人工勢場算法進(jìn)行介紹，然后針對動(dòng)態(tài)環(huán)境的特殊性，加入紅外檢測技術(shù)，從而在路徑選擇中達(dá)到較為穩(wěn)定的效果。

（一）人工勢場算法

人工勢場法[9-10]廣泛應(yīng)用于路徑規(guī)劃和避障技術(shù)中，通過構(gòu)建一種虛擬力法來處理復(fù)雜的環(huán)境，特別是未知的環(huán)境狀態(tài)下，更能很好解決問題。它的基本思想是在目標(biāo)點(diǎn)設(shè)計(jì)一種抽象的引力場Uatt和在障礙物周圍設(shè)計(jì)一種抽象的斥力場Urep，最后通過求引力場的引力Fatt和斥力場的斥力Frep來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

1.引力場建模

由于移動(dòng)機(jī)器人作業(yè)的目標(biāo)點(diǎn)固定，可借用陸地移動(dòng)機(jī)器人的引力勢場設(shè)計(jì)方法[11-14]。設(shè)二維空間S 中有一靜止機(jī)器人 r（x1,y1）和目標(biāo)點(diǎn) g（x2,y2），如圖1所示。定義S空間內(nèi)機(jī)器人與目標(biāo)物距離函數(shù)為：

其產(chǎn)生的引力場為：

目標(biāo)吸引力為：

其中nRG是機(jī)器人到目標(biāo)的單位矢量。

2.斥力場建模

圖2給出移動(dòng)機(jī)器人所受斥力場的受力情況，障礙物位置是 o（x3,y3）。

這里給出斥力勢場的距離分量表達(dá)式：

圖1 二維空間S中的引力

圖2 二維空間S中的斥力

第i個(gè)障礙物的距離分量產(chǎn)生的斥力場所對應(yīng)排斥力為：

則對應(yīng)的總的排斥力為：

那么，總的斥力場函數(shù)為：

其中，

第i個(gè)障礙物的速度分量產(chǎn)生的勢場如式（9）表示，相應(yīng)的勢場力如式（10）、（11）所示：

其中 θi表示相對速度 V（t）-Vobs（t）與距離斥力分量Frep1的夾角，λ是常數(shù)系數(shù)。

（二）紅外檢測技術(shù)

在很多實(shí)際環(huán)境中，對于存在動(dòng)態(tài)障礙物的情況，如果機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中不能快速做出避障動(dòng)作，可能會(huì)陷入平行移動(dòng)狀態(tài)，如圖3所示。導(dǎo)致與目標(biāo)越來越遠(yuǎn)，因此移動(dòng)機(jī)器人將不可能到達(dá)目標(biāo)。如何快速避開近距離障礙物成了關(guān)鍵性的因素。

圖3 機(jī)器人陷入平行移動(dòng)狀態(tài)

紅外避障模塊實(shí)物圖如圖4所示，具有能耗小、便于安裝、易于控制等特點(diǎn)，在機(jī)器人避障、紅外線計(jì)數(shù)等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[15]。該模塊發(fā)射管和接收管兩部分組成，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物時(shí) （可以預(yù)先設(shè)定檢測距離范圍10～50cm），紅外線返回被接收管接收，經(jīng)過一定的計(jì)算機(jī)處理和電路處理程序后，輸出一個(gè)數(shù)字信號，讓機(jī)器人做出相應(yīng)的避障動(dòng)作。

圖4 紅外避障模塊

為了增加避障動(dòng)作的快速準(zhǔn)確，可以采用多個(gè)發(fā)射源共同工作，不同的發(fā)射源頻率不一樣，例如，50Hz，60Hz……，接收管根據(jù)頻率的不同判斷障礙物的方向，當(dāng)機(jī)器人與障礙物的距離超過預(yù)先設(shè)定的范圍，則繼續(xù)進(jìn)入人工勢場的路徑規(guī)劃。

三、仿真結(jié)果

動(dòng)態(tài)環(huán)境存在多種復(fù)雜情況，為了達(dá)到良好的仿真效果，本章節(jié)將動(dòng)態(tài)環(huán)境分為障礙物運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)靜止和障礙物靜止、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)兩種特殊情況。下面主要討論障礙物運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)靜止這種常見的動(dòng)態(tài)環(huán)境。設(shè)定機(jī)器人的移動(dòng)速度V（t）大小為0.10m/s。

其中m,n是正常數(shù)，其取值決定了勢場函數(shù)曲線的形狀。如果m＝1，會(huì)使求導(dǎo)后出現(xiàn)引力無界情況，造成機(jī)器人在目標(biāo)點(diǎn)抖動(dòng)[12]，在仿真試驗(yàn)中，取m＝n＝2，其余參數(shù)的取值在[0.1,10]內(nèi)調(diào)節(jié)，能達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果。 對于引力場，取 α＝5.5，β＝0.5，；對于斥力場，取α＝1，γ＝2。以綠色小方塊代表機(jī)器人，藍(lán)色三角形代表障礙物，移動(dòng)機(jī)器人的開始坐標(biāo)為[5,5]，目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)為[25,25]。在機(jī)器人和目標(biāo)點(diǎn)之間設(shè)置了3個(gè)不同方向勻速運(yùn)動(dòng)的障礙物：障礙物l的位置坐標(biāo)為[8,12]，從t＝0s時(shí)刻開始自左向右水平方向運(yùn)動(dòng)，速度為 0.04m/s；障礙物 2 的位置坐標(biāo)為[16,18]，從 t＝90s時(shí)刻開始自上而下豎直方向運(yùn)動(dòng)，速度為0.05m/s；第三個(gè)障礙物的坐標(biāo)為[22,18]，從t＝180s時(shí)刻開始斜向左上方45°方向運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)速度為0.06m/s。

由圖5可知，在勢場力的作用下，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過程有向右避開障礙物的趨勢，但由于障礙物的相對移動(dòng)情況，讓機(jī)器人陷入平行移動(dòng)，這時(shí)紅外避障模塊進(jìn)行快速處理，使得機(jī)器人成功的向右避開了障礙物1，圖6中，機(jī)器人分別避開障礙物2和3，機(jī)器人避障運(yùn)動(dòng)的完整路徑見圖7。

圖5機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑

圖6 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑

圖7 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑

由仿真結(jié)果可見，本文算法通過設(shè)定多個(gè)動(dòng)態(tài)障礙物來模擬未知的環(huán)境，最終機(jī)器人成功的避開移動(dòng)中的障礙物，而且消除了平行移動(dòng)等問題，找到了一條最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)路徑，大大提高了作業(yè)效率。

四、結(jié)語

對于常見的動(dòng)態(tài)障礙物情況，本文在傳統(tǒng)的人工勢場路徑規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上，將紅外檢測技術(shù)應(yīng)用其中，有效的解決的機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中容易出現(xiàn)的平行移動(dòng)情況，大大減少了移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，達(dá)到了最優(yōu)的規(guī)劃效果。