【摘 要】路徑規(guī)劃技術(shù)是移動機(jī)器人技術(shù)研究中的一個重要領(lǐng)域。介紹了移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)的分類，綜述了全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)點(diǎn)與不足；同時分別探討了全局規(guī)劃和局部規(guī)劃、傳統(tǒng)方法和新的智能方法之間的結(jié)合狀況。

【關(guān)鍵詞】移動機(jī)器人 全局路徑 局部路徑

近年來，移動機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)航天等許多領(lǐng)域都起到了重要的作用。本文將對移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的一般方法進(jìn)行分類和較為詳細(xì)的闡述和介紹。

一、 移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)的分類

(一)根據(jù)機(jī)器人對環(huán)境信息掌握的程度和障礙物的不同?？煞譃椋?.已知環(huán)境下的對靜態(tài)障礙物的路徑規(guī)劃；2.未知環(huán)境下的對靜態(tài)障礙物的路徑規(guī)劃：3.已知環(huán)境下對動態(tài)障礙物的路徑規(guī)劃；4.未知環(huán)境下的對動態(tài)障礙物的路徑規(guī)劃；(二)根據(jù)對環(huán)境信息掌握的程度不同將移動機(jī)器人路徑規(guī)劃分為兩種類型：基于環(huán)境先驗(yàn)完全信息的全局路徑規(guī)劃和基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃；(三)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法也可以大致分為兩類傳統(tǒng)方法和智能方法。

二、移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)的研究現(xiàn)狀

（一）全局路徑規(guī)劃

全局路徑規(guī)劃是指根據(jù)先驗(yàn)環(huán)境模型找出從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的符合一定性能的可行或最優(yōu)路徑。在此領(lǐng)域已經(jīng)有了許多成熟的方法，主要方法有柵格法、自由空間法、單元分解法等。

1.柵格法。柵格法是由HOWDENWE在1968年提出的。柵格法將機(jī)器人工作環(huán)境分解成一系列具有二值信息的網(wǎng)格單元。工作空間中障礙物的位置和大小一致。并且在機(jī)器人運(yùn)動過程中。占該物的位置和大小不發(fā)生變化。用尺寸相同的柵格對機(jī)器人的二維工作空間進(jìn)行劃分。柵格的大小以機(jī)器人自身的尺寸為準(zhǔn)。

2.自由空問法。自由空間法應(yīng)用于機(jī)器人路徑規(guī)劃．采用預(yù)先定義的如廣義錐形和凸多邊形等基本形狀構(gòu)造自由空間。并將自由空間表示為連通圖。然后通過搜索連通圖來進(jìn)行路徑規(guī)劃。

3.單元分解法。根據(jù)不同的單元劃分原則有兩種單元分解法：完全單元分解法和近似單元分解法。

完全單元分解法是用障礙物的邊界來生成單元的邊界。單元的形狀是不規(guī)則的。劃分的單元完全準(zhǔn)確地定義了自由空間。近似單元分解法是用同樣大小和尺寸的單元射分無障礙空間。通常單元與機(jī)器人的清掃執(zhí)行器相同大小。

（二）局部路徑規(guī)劃

局部路徑規(guī)劃方法側(cè)與全局規(guī)劃方法相比。局部規(guī)劃更具實(shí)時性和實(shí)用性．對動態(tài)環(huán)境具有較強(qiáng)適應(yīng)能力；其缺點(diǎn)是由于僅依靠局部信息，有時會產(chǎn)生局部極值點(diǎn)或振蕩。無法保證機(jī)器人能順利地到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。局部路徑規(guī)劃的主要方法有人工勢場法、模糊邏輯算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、遺傳算法等。

1.人工勢場法。人工勢場法是由KHAllB和KROGH提出的一種虛擬力法。其思想是將目標(biāo)點(diǎn)看作吸引點(diǎn)，障礙物看成排斥點(diǎn)。機(jī)器人沿吸引點(diǎn)和排斥點(diǎn)產(chǎn)生的合力方向運(yùn)動。不論機(jī)器人處于自由空間的任何位置。只要有路徑存在。它都能通過勢能值的負(fù)梯度方向找到目標(biāo)位姿。

2.模糊邏輯算法。模糊邏輯算法基于對駕駛員的工作過程觀察研究得出。駕駛員避碰動作并非對環(huán)埭信息精確計(jì)算完成的，而是根據(jù)模糊的環(huán)境信息，通過查表得到規(guī)劃出的信息。實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃，計(jì)算量不大，易做到邊規(guī)劃邊跟蹤，能滿足實(shí)時性要求。

3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。模糊控制算法有很多優(yōu)點(diǎn)。但也有固有的缺陷：人的經(jīng)驗(yàn)不一定完備，輸入量增多時推理規(guī)則或者模糊表會急劇膨脹。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法則另辟蹊徑。路徑規(guī)劃是感知空間到行為空間的一種映射。

4.遺傳算法。遺傳算法是一種基于自然選擇和自然遺傳的全局優(yōu)化算法。是目前機(jī)器人路徑規(guī)劃研究中應(yīng)用較多的一種方法。故在進(jìn)化過程中可以并行地對解空間的不同區(qū)域進(jìn)行搜索．可使搜索趨于全局最優(yōu)解而不會陷于局部極小解。正是由于這種內(nèi)在的優(yōu)良特性，遺傳算法可廣泛應(yīng)用于各種優(yōu)化問題。

三、移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)新的發(fā)展趨勢

隨著移動機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大．對于規(guī)劃技術(shù)的要求也越來越高。單個規(guī)劃方法有時不能很好地解決某些規(guī)劃問題．所以新的發(fā)展趨向于將多種方法相結(jié)合．對此可從以下幾方面進(jìn)行探討。

（一）基于反應(yīng)式行為規(guī)劃與基于慎思行為規(guī)翅的結(jié)合

傳統(tǒng)的基于“感知——建?！?guī)劃——動作”的方法不易建立準(zhǔn)確的環(huán)境地圖模型。而且很難適應(yīng)動態(tài)的、未知環(huán)境中的路徑規(guī)劃。因此人們提出了反應(yīng)式的控制方法。反應(yīng)式結(jié)構(gòu)是一種從感知到動作的直接映射，機(jī)器人能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化做出快速響應(yīng)。

（二）全局路徑規(guī)劃與局部路徑規(guī)劃的結(jié)合

全局規(guī)劃一般是建立在已知環(huán)境信息的基礎(chǔ)上．適應(yīng)范圍相對有限：局部規(guī)劃能適用于環(huán)境未知的情況．但有時反應(yīng)速度不快。對規(guī)劃系統(tǒng)品質(zhì)的要求較高．因此如果把兩者結(jié)合就可以達(dá)到更好的規(guī)劃效果。Guldner提出了三層控制結(jié)構(gòu)，以全局規(guī)劃作為最高層．采用勢場方法的局部規(guī)劃為第二層，最底層用航向角方法來進(jìn)行避障，適合于雜亂環(huán)境中的路徑規(guī)劃。

（三）傳統(tǒng)規(guī)劃方法與新的智能方法之聞的結(jié)合

近年來．一些新的智能技術(shù)逐漸被引入到路徑規(guī)劃中來。也促使了各種方法的融合發(fā)展．例如人工勢場與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制的結(jié)合等。這些方法應(yīng)用于路徑規(guī)劃會使移動機(jī)器人在動態(tài)環(huán)境中更靈活．更具智能化。

隨著科技不斷發(fā)展．機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷擴(kuò)大機(jī)器人工作環(huán)境會更復(fù)雜。移動機(jī)器人路徑規(guī)劃與避障這一課題領(lǐng)域還將不斷深入。在研究這一領(lǐng)域時。要結(jié)合以前的研究成果，把握發(fā)展趨勢。以實(shí)用性作為最終目的。這樣就能不斷推動其向前發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李磊，葉濤，譚民，等．移動機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來[J]．機(jī)器人，2002，24(5)：475-480。

[2]蔡佐軍，孫德寶．秦元慶，等．基于構(gòu)型空間法的機(jī)器人路徑規(guī)劃研究[J]．計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2006，34(4)：88—90。

[3]NEUS M，MAOUCHE S．Motion pl肌Iling using the modified visibility grsph[C]．Conf 011 Sy8 Man arid Cybern．Tokyo：IEEE Pubhh Society，1999。