王 帥，連翠玲，趙 旭

（河北省科學(xué)院自動化研究所，河北石家莊 050081）

基于人工勢場法的移動機器人路徑規(guī)劃研究

王 帥，連翠玲，趙 旭

（河北省科學(xué)院自動化研究所，河北石家莊 050081）

人工勢場法是移動機器人路徑規(guī)劃的一種常用方法，是勢場法思想的起源，是最基礎(chǔ)的方法。筆者利用人工勢場法原理對移動機器人路徑規(guī)劃進(jìn)行了研究，并通過MATLAB進(jìn)行仿真。

人工勢場法；避障；MATLAB；仿真

機器人的路徑規(guī)劃在移動機器人的研究中是一個重要的領(lǐng)域。其目的是在有障礙物的環(huán)境中選擇出一條路徑使機器人不碰障礙物［1］。目前，移動機器人路徑規(guī)劃分為兩部分：已知環(huán)境信息的全局路徑規(guī)劃和知或部分可知環(huán)境信息的局部路徑規(guī)劃［2］。在環(huán)境信息比較全面的情況下，機器人的路徑規(guī)劃離線行進(jìn)，即使用一定的算法，根據(jù)周圍相關(guān)的環(huán)境信息狀況為機器人設(shè)計出一條可行的行進(jìn)路徑［3］，常用的方法有快速隨機樹隨機位圖法、人工勢場法、柵格法方法等［3］；當(dāng)移動機器人對環(huán)境信息部分了解時，機器人需要通過傳感器對環(huán)境進(jìn)行探測，即在線規(guī)劃。本文試圖利用工人勢場法原理對移動機器人路徑進(jìn)行規(guī)劃研究。

1 勢場分布算法的討論

機器人的路徑規(guī)劃，是使用一定的算法，根據(jù)周圍相關(guān)的環(huán)境信息狀況為機器人設(shè)計出一條可行的行進(jìn)路徑［4］。而算法的基礎(chǔ)是對勢場分布的研究計算。

1.1 引力

目標(biāo)點的引力引導(dǎo)移動機器人走向目標(biāo)點，具有導(dǎo)航的作用，對移動機器人的運動的大方向起主導(dǎo)作用。

當(dāng)離目標(biāo)點較遠(yuǎn)時，引力場方向設(shè)為以目標(biāo)點為中心，指向目標(biāo)點，呈輻射狀，大小恒定的引力場；而離目標(biāo)點一定距離內(nèi)的地方設(shè)為方向仍指向目標(biāo)點，呈輻射狀，引力的大小與離目標(biāo)點距離的平方呈反比的勢場。如公式（1）：

其中F為目標(biāo)點引力場向量；x k1為引力常數(shù)，他們的大小與斥力系數(shù)有密切關(guān)系；l為移動機器人指向目標(biāo)點的向量，大小是移動機器人與目標(biāo)點之間的距離。

1.2 斥力

障礙物的斥力場是移動機器人避開障礙物的主要憑借。障礙物斥力場的公式如式（2）：

l是移動機器人與障礙物連線方向指向障礙物，大小是距離的向量；cl k1是斥力系數(shù)，與引力系數(shù)有關(guān)，可通過實驗仿真取得的。斥力的大小在計算時按實際雷達(dá)掃描的情況，應(yīng)從障礙物的邊界算起。

斥力場大小仿真：

由引力勢場大小的仿真和斥力大小的仿真可以看出，大多數(shù)的障礙物處吃力都很大，移動機器人很容易避開障礙物，目標(biāo)點的引力在離目標(biāo)點遠(yuǎn)的地方有值，在目標(biāo)點處迅速增大，保證移動機器人到達(dá)目標(biāo)點，見圖1所示。

2 機器人路徑選擇的研究

2.1 機器人與障礙物距離

移動機器人與障礙物的距離分三種情況。移動機器人距離障礙物較遠(yuǎn)時，應(yīng)忽略障礙物；離障礙物距離適中時，按勢場線的方向行進(jìn)；距離障礙物的距離很近時，要以避開障礙物為首要問題，遵循勢場線為輔助。

移動機器人和障礙物的距離是移動機器人能避障的最直接變量，也是機器人安全行進(jìn)的最后一道屏障。

2.2 機器人與目標(biāo)點距離

移動機器人與目標(biāo)點的距離確定了計算機所建的移動機器人的數(shù)學(xué)模型與障礙物的數(shù)學(xué)模型比例和引力場的變化，同時也影響到了移動機器人所走的最大步數(shù)。

如前所述，引力場的大小也會隨著移動機器人距離目標(biāo)點距離的變化而改變。在移動機器人進(jìn)入一定的范圍后，引力場系數(shù)迅速增大，引力也會隨與目標(biāo)點的距離成平方的反比而變化。

圖1 斥力場

3 實驗仿真

現(xiàn)實生活中，移動機器人遇到的環(huán)境是多種多樣的，障礙物的出現(xiàn)也有很大的隨機性，需要盡量地考慮到各種情況，所以要對多種情況進(jìn)行計算分析和仿真。

人工勢場法機器人路徑規(guī)劃方針結(jié)果見圖2。

圖2 幾種一般情況的對比

4 結(jié)論

本次是基于人工勢場法的移動機器人路徑規(guī)劃研究。首先，人工勢場法的基本思想有很多優(yōu)點，很有價值研究；其次，人工勢場法的勢場函數(shù)對整個規(guī)劃起主要作用，不斷地對其進(jìn)行改進(jìn)能使移動機器人的路徑規(guī)劃更加完善；再次，用MATLAB進(jìn)行仿真畫出了機器人行進(jìn)軌跡，清楚地看到了人工勢場法的優(yōu)點和缺點；最后，找出了一種在一定范圍內(nèi)比較好的路徑規(guī)劃方案。

［1］張建英，趙志萍，劉暾.基于人工勢場法的機器人路徑規(guī)劃［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006（8）：1306－1309.

［2］黃炳強，曹廣益.基于人工勢場法的移動機器人路徑規(guī)劃研究［J］.計算機工程與應(yīng)用，2006，42（27）：26－28.

［3］Park MG，Jeon JH，Lee M C.Obstacle avoidance for mobile robots using artificial potential field approach with simulated annealing［J］.IEEE International Symposium on Industrial Electron its，2001，3（6）：1530－1535.

［4］李智也.移動機器人路徑規(guī)劃問題的解決方案［J］.計算機工程，2006，32（1）：189－192.

Study of path planning for mobile robot based on artificial potential field

WANG Shuai，LIAN Cui－ling，ZHAO Xu

（InstituteofAutomation，HebeiAcademyofSciences，ShijiazhuangHebei050081，China）

The artificial potential field law is the most foundation method of all.It is the potential field law thought origin.the research and the simulation are conducted to the artificial potential field law in this paper.

Ar tificial potential field law；Avoid the obstacle；MATLAB；Simulation

TP249

：A

1001－9383（2011）04－0064－03

2011－06－30

王 帥（1987－），男，河北石家莊人，助理工程師，主要從事自動控制類產(chǎn)品的開發(fā)研究.