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        自主移動(dòng)機(jī)器人避障算法研究及展望

        2013-09-03 10:51:22張玉婷鄒彤雯王艷麗任濱僑
        黑龍江科學(xué) 2013年7期
        關(guān)鍵詞:外部環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人障礙物

        張玉婷,鄒彤雯,王艷麗,任濱僑

        (黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院,哈爾濱150020)

        自主移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的核心內(nèi)容之一,其研究集中體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家自動(dòng)化、智能化研究水平的高低,它的研究跨機(jī)械、電子、通信等多學(xué)科、多領(lǐng)域。自主移動(dòng)機(jī)器人綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)等前沿科技。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)也在日新月異,可以說(shuō),移動(dòng)機(jī)器人的研究水平是一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平、國(guó)防工業(yè)技術(shù)的高度體現(xiàn)[1-2]。

        1 自主移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

        自主移動(dòng)機(jī)器人研究,涉及信息融合技術(shù),通信技術(shù),機(jī)電一體化技術(shù)等領(lǐng)域,而且隨著研究的不斷深入,會(huì)有更多的新技術(shù)得到應(yīng)用。自主移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)有:

        結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化技術(shù)。采用分布式結(jié)構(gòu)可以提高移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

        多傳感器信息融合技術(shù)。單一傳感器的應(yīng)用只能獲取單一的外部信息,這就要求把多種類(lèi)、多數(shù)量的傳感器綜合起來(lái)應(yīng)用,對(duì)多個(gè)傳感器讀取的信息數(shù)據(jù)加以融合,以期得到準(zhǔn)確的環(huán)境信息,從而建立精確的外部環(huán)境模型[3]。

        導(dǎo)航與定位技術(shù)。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,定位分為兩種,一種是全局定位,一種是機(jī)器人姿態(tài)定位[4],全局定位是機(jī)器人在起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的位置確定;姿態(tài)定位是確定移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航角和相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的距離。

        2 自主移動(dòng)機(jī)器人避障算法

        在移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,機(jī)器人能否主動(dòng)避開(kāi)前方的障礙物,尋找出一條到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的安全路徑,是機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)的關(guān)鍵,直接影響到機(jī)器人的智能。移動(dòng)機(jī)器人的避障算法按照其對(duì)外部環(huán)境的感知狀態(tài)可以分為兩種,第一種是外部環(huán)境先驗(yàn)的全局規(guī)劃,第二種是通過(guò)傳感器系統(tǒng)建立外部環(huán)境模型的局部規(guī)劃,也就是實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃。

        典型的避障算法包括:

        2.1 人工勢(shì)場(chǎng)法

        人工勢(shì)場(chǎng)法的原理是把機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)看成是在虛擬力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人靠近障礙物時(shí),它們之間產(chǎn)生斥力場(chǎng),且離得越遠(yuǎn)斥力越小。但是總體上移動(dòng)機(jī)器人和終點(diǎn)產(chǎn)生的是引力場(chǎng)[3]。移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)斥力場(chǎng)躲避前方出現(xiàn)的障礙物,通過(guò)引力場(chǎng)朝向目標(biāo)點(diǎn)前進(jìn),這種勢(shì)力場(chǎng)是虛擬力場(chǎng),但是對(duì)于機(jī)器人的自動(dòng)導(dǎo)航有著良好的效果。

        人工勢(shì)場(chǎng)法的優(yōu)點(diǎn):該算法思路簡(jiǎn)單清晰、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,而且便于底層的實(shí)時(shí)控制,避障程序的編寫(xiě)也較為方便。

        人工勢(shì)場(chǎng)法的缺點(diǎn):容易產(chǎn)生局部最小值問(wèn)題,當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到墻角及狹窄地帶容易產(chǎn)生鎖死現(xiàn)象,而且當(dāng)兩個(gè)障礙物之間的距離較近的時(shí)候,該算法難以發(fā)現(xiàn)躲避路徑;另一個(gè)缺點(diǎn)是勢(shì)場(chǎng)力決策選擇時(shí),移動(dòng)機(jī)器人在障礙前容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象,難以保證避障的平穩(wěn)性。

        圖1 人工勢(shì)場(chǎng)法原理圖Fig.1 The schematic of artificial potential field method

        2.2 A* 算法

        A*算法是一種啟發(fā)式的避障算法,基本原理可以概括為動(dòng)態(tài)最短路徑法。A*算法利用空間啟發(fā)式信息,通過(guò)對(duì)比選擇恰當(dāng)?shù)墓纼r(jià)函數(shù),然后通過(guò)動(dòng)態(tài)搜索策略,求出移動(dòng)機(jī)器人的最優(yōu)規(guī)劃路徑,A*算法可以分成兩類(lèi),基于C空間的A*算法和基于四叉樹(shù)的A*算法[5]。

        A*算法的優(yōu)點(diǎn):算法引入了啟發(fā)式函數(shù),減少了搜索的環(huán)境空間、有很高的搜索效率,將該算法應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的自主避障于導(dǎo)航上有很好的實(shí)時(shí)性。

        A*算法的缺點(diǎn):算法搜索出的路徑比較粗糙,是一個(gè)可行性路徑,但是路徑的優(yōu)化性較差,而且對(duì)于比較復(fù)雜的未知環(huán)境,其搜索效率并不高。

        2.3 RRT 算法

        RRT算法是快速擴(kuò)展隨機(jī)數(shù)算法的簡(jiǎn)稱(chēng),該算法采用了隨機(jī)查詢(xún)采樣的搜索方法,隨機(jī)采樣的意思是指不建立外部空間映射,而是經(jīng)過(guò)一個(gè)優(yōu)化策略對(duì)外部空間進(jìn)行信息采樣,然后執(zhí)行最佳路徑策略。

        圖2 隨機(jī)樹(shù)拓展搜索Fig.2 Expand search by random tree

        2.4 滾動(dòng)窗口避障算法

        滾動(dòng)窗口避障算法是一種基于預(yù)測(cè)理論的尋優(yōu)算法,該算法的原理是移動(dòng)機(jī)器人搭載了多傳感器系統(tǒng),通過(guò)該系統(tǒng)在機(jī)器人前方建立半徑為R的滾動(dòng)窗口,該窗口實(shí)時(shí)探測(cè)障礙物信息并建立外部環(huán)境模型,然后通過(guò)啟發(fā)式算法生成優(yōu)化子目標(biāo),并且做出相應(yīng)的避障策略,滾動(dòng)窗口不斷更新外部環(huán)境信息,產(chǎn)生多個(gè)優(yōu)化子目標(biāo),每個(gè)優(yōu)化子目標(biāo)點(diǎn)的疊加,使機(jī)器人到達(dá)終點(diǎn)[5]。

        滾動(dòng)窗口算法的優(yōu)點(diǎn):搜索出的避障路徑較為優(yōu)化,使移動(dòng)機(jī)器人能夠很好地避開(kāi)障礙物,并且算法簡(jiǎn)潔、信息存儲(chǔ)量小,機(jī)器人的實(shí)時(shí)性較好。

        滾動(dòng)窗口算法的缺點(diǎn):在復(fù)雜的環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人容易產(chǎn)生局部極小值。

        圖3 滾動(dòng)窗口的建立Fig.3 The establishment of a scrolling window

        表1為常用的避障算法進(jìn)行綜合對(duì)比說(shuō)明。

        3 自主移動(dòng)機(jī)器人避障算法的發(fā)展方向

        以往研究的移動(dòng)機(jī)器人避障算法,自身的局限性較大,而且受到傳感器技術(shù)的制約,有些算法在移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。未來(lái)在移動(dòng)機(jī)器人避障算法的研究領(lǐng)域,要把算法的理論性與實(shí)際應(yīng)用性結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人搜索路徑的高效性、實(shí)用性、優(yōu)化性,這種模式是未來(lái)機(jī)器人算法的發(fā)展趨勢(shì)。

        表1 移動(dòng)機(jī)器人避障算法匯總Tab.1 The summary of obstacle avoidance algorithm for mobile robot

        綜合考慮各種因素及以往多方面的研究,未來(lái)自主移動(dòng)機(jī)器人避障算法將會(huì)朝著以下方向發(fā)展:

        (1)智能算法在未來(lái)的研究中將不斷創(chuàng)新和改進(jìn)。傳統(tǒng)算法都有其自身的局限性,只適合在特定的條件下應(yīng)用,這就要求未來(lái)的研究要朝著算法融合的方向發(fā)展,把各種算法的優(yōu)良性能融合到一起。

        (2)在移動(dòng)機(jī)器人自主避障與導(dǎo)航領(lǐng)域,多傳感器信息融合技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用。傳感器系統(tǒng)為機(jī)器人提供環(huán)境信息,多傳感器信息融合技術(shù)可以使機(jī)器人建立更加準(zhǔn)確的外部環(huán)境模型,以供機(jī)器人做出導(dǎo)航策略。

        (3)動(dòng)態(tài)未知外部環(huán)境的研究將成為熱點(diǎn)。在以往避障算法的研究中,主要以靜態(tài)外部環(huán)境的研究為主,以動(dòng)態(tài)外部環(huán)境的研究為輔,顯然動(dòng)態(tài)外部環(huán)境更加貼近現(xiàn)實(shí),更具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。以往關(guān)于動(dòng)態(tài)障礙物的研究,是基于動(dòng)態(tài)障礙物勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)這一假設(shè)的,因此動(dòng)態(tài)障礙物多種類(lèi)、多數(shù)量、速度隨機(jī)、方向隨機(jī)的研究將是移動(dòng)機(jī)器人自主避障研究領(lǐng)域的重點(diǎn)課題。

        4 結(jié)論

        筆者主要針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的避障算法進(jìn)行了深入研究,通過(guò)對(duì)不同算法的優(yōu)、缺點(diǎn)的比較與分析,對(duì)未來(lái)自主移動(dòng)機(jī)器人避障算法的研究方向進(jìn)行了探討。研究結(jié)果表明,不同算法的融合技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)及動(dòng)態(tài)未知環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人自主避障研究將是移動(dòng)機(jī)器人避障算法研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

        [1]任立敏.基于激光測(cè)距儀的移動(dòng)機(jī)器人避障感知與避障策略研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

        [2]唐鴻儒,宋愛(ài)國(guó).基于多傳感器信息融合的偵察機(jī)器人模糊路徑跟蹤行為研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007,20(8):1809—1814.

        [3]馮建農(nóng),柳明,吳捷.自主移動(dòng)機(jī)器人智能導(dǎo)航研究進(jìn)展[J].機(jī)器人學(xué)報(bào),1997,19(6):468—473.

        [4]Motamed C,Wallart O.A Temporal Fusion Strategy for Cross-Camera Data Association[J].Pattern Recognition Letters,2007,28(2):233—245.

        [5]叢巖峰,基于滾動(dòng)優(yōu)化原理的路徑規(guī)劃算法研究[J].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2007.

        [6]何偉烽,自主式移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃研究及軟件仿真實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2011.

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