李浩洋 高英杰 童東兵 林曠淼 史煜韜 任曉文

摘 要：本文針對移動機器人，利用人工勢場法，研究機器人的路徑規(guī)劃，得到移動機器人路徑規(guī)劃框架和建模方法，移動機器人路徑規(guī)劃評價模型、移動機器人路徑規(guī)劃實驗校驗及分析。

關鍵詞：人工勢場法;移動機器人;路徑規(guī)劃

0 引言

伴隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，移動機器人技術開始應用到人們?nèi)粘Ｉ钪?。越來越復雜的場景，對移動機器人的路徑規(guī)劃技術提出了更高的要求。由于場景地圖信息的缺失，移動機器人無法得到先驗知識，而地圖中有隨機移動的障礙物，這些對機器人的實時避障與規(guī)劃能力造成困難。關于路徑規(guī)劃中人工勢場法，其思想是抽象為引力場，目標對智能體產(chǎn)生的引力和障礙物對智能體產(chǎn)生的斥力。人工勢場法合力示意圖如圖1所示。因此，研究基于人工勢場法移動機器人的路徑規(guī)劃具有十分重要的意義。

1 移動機器人路徑規(guī)劃建模和算法研究

首先對機器人接收到的傳感器距離信息使用模糊規(guī)則進行判定，對障礙物進行簡單的分類，防止一些可能導致機器人走進死胡同的情況;接著，使用人工勢場法在處理過的地圖的基礎上進行路徑規(guī)劃，探索周圍環(huán)境，得到路徑;最后通過添加延遲時間以消除人工勢場法可能存在的路徑震蕩問題，從而實現(xiàn)機器人對環(huán)境的探測與高效的路徑規(guī)劃。機器人路徑規(guī)劃框架圖如圖2所示。

機器人在活動空間中的定義。機器人與目標點之間的斥力場，機器人與目標點之間的引力場，那么總的勢場為斥力場與引力場之和。

路徑與障礙物的檢測作為路徑規(guī)劃中的重要部分，不同方式會產(chǎn)生不同的效果。本項目使用超聲測距儀來探測障礙物，設定基于超聲測距儀的視窗，測距儀感應角15°。

2 移動機器人路徑規(guī)劃評價模型

在路徑規(guī)劃中，需要規(guī)劃出一個無碰撞的路徑。而運動的機器人按照規(guī)劃的路徑行走，可能發(fā)生兩種結果，即碰撞和不碰撞。在構建路徑規(guī)劃的評價模型的時候，其主要參數(shù)有：是否發(fā)生碰撞、總時長、轉彎角度、直行時間。

（1）是否發(fā)生碰撞。當移動機器人按照規(guī)劃好的路徑行走時，應當是不發(fā)生碰撞。如果發(fā)生碰撞，說明該路徑規(guī)劃的線路是有問題的。需要重新規(guī)劃。因此，在路徑規(guī)劃中，移動機器人是否碰撞是判斷路徑規(guī)劃的成敗。（2）總時長。當移動機器人按照規(guī)劃好的路徑，從出發(fā)到移動結束，總時長越短越好。當移動機器人移動的速度恒定，那么路徑規(guī)劃的長度越長，所需要的時間就越長，這時候需要消耗移動機器人的能源也就越多。而路徑規(guī)劃的長度短的話，移動機器人移動的距離就越短，所耗費的能源就少。因此，在路徑規(guī)劃中，移動機器人的行走的總時長是重要的性能指標。（3）轉彎角度。對于移動機器人來說，直線行走就不需要改變航向。由于障礙物的存在，移動機器人往往不是直線行走的，需要轉向。因此，需要考察所設計的路徑規(guī)劃最大的轉彎角度。轉彎角度越大，對移動機器人的性能要求就越高。因此，在路徑規(guī)劃中，移動機器人的最大轉彎角度是重要的性能指標。（4）直線時間。從上面的分析，可以看到，在移動機器人行走的距離相同的時候，直線行走越長，對移動機器人的性能要求就越低。因此，在路徑規(guī)劃中，移動機器人的直線行走距離是重要的性能指標。

3 移動機器人路徑規(guī)劃實驗分析

移動機器人的路徑規(guī)劃可看成搜索問題。在實驗過程中，可以按照靜態(tài)障礙物和動態(tài)障礙物來進行仿真。在路徑搜索過程中，按照路徑規(guī)劃的目標對移動機器人產(chǎn)生的引力和障礙物對移動機器人產(chǎn)生的斥力來進行。在搜索過程中，為了避開障礙物，需要不斷修改移動的方向。這個搜索過程，對計算能力要求高。當搜索出一條路徑后，還需要與現(xiàn)有算法進行對比，是否為最優(yōu)路徑。以此來檢驗所設計的算法有效性和可靠性。具體移動機器人路徑規(guī)劃實驗流程圖如圖3所示。

4 結束語

本文介紹人工勢場法的原理，并針對移動機器人，研究機器人的路徑規(guī)劃，獲得移動機器人路徑規(guī)劃框架和建模方法、路徑規(guī)劃評價模型、路徑規(guī)劃實驗校驗及分析。這些研究將為今后的研究拓寬思路。

參考文獻：

[1]楊洋，童東兵，陳巧玉.面向未知地圖的六足機器人路徑規(guī)劃算法[J].計算機應用，2018，38（06）：1809-1813.

[2]石為人，黃興華，周偉.基于改進人工勢場法的移動機器人路徑規(guī)劃[J].計算機應用，2010（08）：37-39.

基金項目：上海大學生創(chuàng)新訓練計劃資助項目（cs1902009; cs2002005）;國家大學生創(chuàng)新訓練計劃資助項目（201910856010）

作者簡介：李浩洋（1997-），女，甘肅天水人，本科，研究方向：自動化。