接文文 郇宜軍

摘 要：人工勢場法由Khatib于 1986 年提出的一種基于人工勢場概念的機械手和機器人的實時避障方法[1]，由于其結(jié)構(gòu)簡單、直觀等優(yōu)點，在移動機器人運動軌跡優(yōu)化和避障等方面得到了廣泛的運用。本文介紹了人工勢場法的基本原理，總結(jié)分析了其在路徑規(guī)劃中的缺陷，并對各個缺陷給出了相應(yīng)的解決策略，對人工勢場法在今后路徑規(guī)劃中的發(fā)展方向和前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：人工勢場法;移動機器人;路徑規(guī)劃;缺陷

0 引言

現(xiàn)在路徑規(guī)劃技術(shù)已經(jīng)成為智能化機器人、無人機領(lǐng)域的重要研究方向之一。路徑規(guī)劃指的是在具有障礙物的環(huán)境中，按照一定的評價標(biāo)準(zhǔn)（如：時間最短、路徑最短、能耗最少等），移動機器人如何從所處的環(huán)境中搜索到一條從初始點開始到目標(biāo)點的最優(yōu)或次優(yōu)路徑[2]。目前路徑規(guī)劃方法主要有傳統(tǒng)和智能方法兩大類，傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法主要有人工勢場法、可視圖法、柵格法等;智能化方法主要有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、蟻群算法等。其中，人工勢場法具有反應(yīng)速度快、計算量小、便于實時性控制和生成的路徑平滑等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用[3][4]。

1 傳統(tǒng)人工勢場法

Khatib 于 1986年首次提出人工勢場法，認為該方法是一種虛擬力法[1]。其思路是假設(shè)有虛擬的引力場和斥力場存在，二者的作用平衡使得移動機器人能夠躲避障礙，就是將機器人在周圍環(huán)境中的運動，設(shè)計成一種抽象的人造引力場中的運動，目標(biāo)點對移動機器人產(chǎn)生“引力”，障礙物對移動機器人產(chǎn)生“斥力”，最后通過求合力來控制移動機器人的運動。終點的引力與移動機器人和終點的距離成正比;障礙和移動機器人之間的斥力與障礙和移動機器人之間的距離成反比。在二者的綜合作用下，移動機器人會找到一個力的平衡點，從而生成一個從初始位置到終止位置的路徑規(guī)劃。這其中，引力勢場函數(shù)為：

斥力勢場函數(shù)：

公式中，為移動機器人現(xiàn)在的位置，為目標(biāo)點的位置，為障礙物的位置， 為引力勢場的增益系數(shù)，為斥力勢場增益系數(shù)，為每個障礙物的影響半徑。

由引力勢場公式和斥力勢場公式的負梯度延伸出引力函數(shù)和斥力函數(shù)公式如下：

機器人受到的合力為：

機器人受力分析

2 傳統(tǒng)人工勢場法的缺陷

2.1 目標(biāo)不可達問題

當(dāng)移動機器人在目標(biāo)位道產(chǎn)生的引力牽引下向目標(biāo)方向移動時，障礙物就分布在目標(biāo)左側(cè)且相隔很近，對應(yīng)的斥力遞增，當(dāng)斥力作用大于引力作用時，其合成的總作用力方向背離目標(biāo)點，根據(jù)規(guī)劃決策，移動機器人會背離目標(biāo)點而去。背離目標(biāo)點的同時也背離障礙物，因此移動機器人所受到的斥力遞減，而目標(biāo)點對移動機器人的引力隨著距離的增加而遞增，當(dāng)引力大于斥力時，移動機器人又開始向目標(biāo)位置靠近。如此反復(fù)，移動機器人在引力與斥力的作用下在目標(biāo)位置點附近反復(fù)徘徊，從而導(dǎo)致目標(biāo)不可達的問題。

2.2局部極小值點問題

人工勢場法的另外一個缺陷是局部極小值，局部極小值又被稱為局部穩(wěn)定問題，具體是指移動機器人在環(huán)境中進行規(guī)劃過程中，是以基于障礙的斥力勢場與基于目標(biāo)的引力勢場的作用而驅(qū)動前進直至完成規(guī)劃，由于障礙物分布的任意性與動態(tài)性，可能導(dǎo)致在環(huán)境中的某些局部區(qū)域，移動機器人所受到的斥力與引力作用達到平衡狀態(tài)而陷入局部區(qū)域的穩(wěn)定狀態(tài)，此時將該斥力與引力平衡的勢場點稱之為局部極小值點。移動機器人一旦陷入局部極小值區(qū)域，由于斥力與引力達到平衡，大小相等而方向相反，移動機器人在人工勢場中所受到的合力為零，沒有驅(qū)動力來驅(qū)動機器人進行進一步的路徑規(guī)劃，移動機器人容易陷入局部最優(yōu)解（停止移動）或震蕩（反復(fù)移動），始終無法到達目標(biāo)點。

3 解決缺陷的策略

傳統(tǒng)人工勢場法由于存在的各種局限問題，使得它的應(yīng)用場景受到一些限制，很多工作環(huán)境無法應(yīng)用人工勢場法進行路徑規(guī)劃，因此目前學(xué)者們針對人工勢場法的這些缺陷展開了研究與探討，目前已有一些可行的改進策略。

3.1對目標(biāo)不可達問題的改進

通過引入調(diào)和函數(shù)來解決目標(biāo)不可達[5]，由于調(diào)和函數(shù)是可微的，故可以保障機器人運動的軌跡的正確性;或者與其他算法相結(jié)合，通過將改進APF 算法與導(dǎo)航勢場法結(jié)合的方法解決了目標(biāo)不可達的問題[6];對勢場函數(shù)進行改進，保證在目標(biāo)點附近時引力作用占主導(dǎo)地位，將機器人與目標(biāo)點的距離引入到斥力勢場函數(shù)中[7][8]，或者結(jié)合其他算法對人工勢場法中的一些參數(shù)進行優(yōu)化[9]。

3.2對局部極小點問題的改進

在改進的勢場函數(shù)基礎(chǔ)上，采用添加控制力的方法，使機器人逃脫局部極小點[10];或提出模糊斥力的思想，利用模糊邏輯控制算法來動態(tài)地調(diào)節(jié)斥力大小，使機器人逃離局部極小[11][12][13];或者通過增設(shè)虛擬目標(biāo)點的方式引導(dǎo)機器人走出局部極小點[14][15][16];或?qū)⒊饬πD(zhuǎn)一定角度，解決合力為零問題，使機器人成功逃離極小點[8];特殊形狀障礙物（如 U 型和 V 型，即容易使機器人陷入障礙物中難以走出）中的局部極小點可將其人為隔離出來[17]，避免機器人陷入障礙物的半封閉區(qū)域;或通過“沿邊走”來解決局部極小點和復(fù)雜障礙物環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題[18]。

4 人工勢場法在路徑規(guī)劃中的展望

人工勢場法的原理簡單，計算簡便，但其固有的缺陷在一定程度上限制了它的適用范圍。因此，為了更廣泛地使用人工勢場算法，我們需要對它進行更深入的研究。

4.1實際空間環(huán)境與勢場相結(jié)合

在實際的空間環(huán)境中，由于機器人本身的體積大小、障礙物的尺寸大小以及障礙物分布環(huán)境復(fù)雜等情況，在進行路徑規(guī)劃時都需要考慮一些約束條件，傳統(tǒng)的人工勢場法中只考慮了機器人在引力和斥力作用下的運動，并未結(jié)合實際空間環(huán)境的情況下考慮機器人與環(huán)境道路的約束條件，導(dǎo)致最后規(guī)劃出來的路徑不一定適合機器人實際的運動情況，因此需要將關(guān)于機器人本身的條件、實際空間轉(zhuǎn)化為約束條件與勢場法結(jié)合，從而規(guī)劃出一條更合理的路徑。

4.2對勢場函數(shù)的改進

在傳統(tǒng)人工勢場法中，當(dāng)機器人到達目標(biāo)點時，引力為零而斥力不為零，就會導(dǎo)致目標(biāo)不可達的問題;當(dāng)所有障礙物斥力的合力方向與引力的方向相同，而此時機器人又未到達目標(biāo)點，就有可能出現(xiàn)斥力和引力相等而陷入局部最優(yōu)。因此對勢場函數(shù)的參數(shù)進行修正或者加入調(diào)節(jié)因子：建立更合理的勢場;或?qū)C器人的空間環(huán)境進行改進;或加入考慮速度的運動模型?？紤]解決人工勢場法的出現(xiàn)的目標(biāo)不可達及局部極小點是改進傳統(tǒng)人工勢場法的關(guān)鍵。

4.3與其他算法相結(jié)合

人工勢場算法在實時避障方面具有很大優(yōu)勢，但隨著技術(shù)水平的發(fā)展，機器人的工作環(huán)境越來越復(fù)雜，工作范圍越來越廣，多個機器人的路徑規(guī)劃已經(jīng)成為研究熱點，傳統(tǒng)的人工勢場算法想要尋找全局最優(yōu)的路徑效果卻并不太好，因此需要與其他算法相結(jié)合。王曉燕[19]等人就結(jié)合勢場和蟻群算法，利用人工勢場法重構(gòu)啟發(fā)函數(shù)，進行路徑規(guī)劃尋找最優(yōu)解。

5 結(jié)語

本文主要介紹了傳統(tǒng)人工勢場法及其主要的缺陷與解決策略，同時對人工勢場法在今后的研究與應(yīng)用進行了展望，希望對以后人工勢場法在路徑規(guī)劃中的研究有所幫助。

參考文獻

[1]Khatib O.Real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots [J].The International Journal RoboticsResearch，1986，5（1）：90-98.

[2]張毅，等.移動機器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：208 - 218.

[3]楊興，等.室內(nèi)機器人路徑規(guī)劃研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（15）：240 - 245.

作者簡介：

接文文，1992年07月，女，漢族，山東煙臺，碩士，單位：山東科技大學(xué)，研究方向：物流工程。

（作者單位：1.山東科技大學(xué);2.萊蕪技師學(xué)院 ）