移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)研究現(xiàn)狀

1、移動機(jī)器人路徑規(guī)劃研究現(xiàn)狀1全局路徑規(guī)劃1.1柵格分解法 柵格分解法是目前廣泛研究的路徑規(guī)劃方法之一。該方法把移動機(jī)器人的運(yùn)動環(huán)境分解為多個簡單的柵格并根據(jù)它們是否被障礙物占據(jù)來進(jìn)行狀態(tài)描述，障礙物柵格和非障礙物柵格具有不同的標(biāo)識值，它能快速直觀地融合傳感器信息。1.2拓?fù)浞?拓?fù)浞ㄖ饕ㄈ糠郑簞澐譅顟B(tài)空間、構(gòu)建特征網(wǎng)、在特征網(wǎng)上搜索路徑。拓?fù)浞ǖ幕疽厥枪?jié)點(diǎn)和邊，用節(jié)點(diǎn)表示某個特定的位置，用邊表示這些位置之間的聯(lián)系，可以用G=(V,E)描述空間的特征，其中V表示頂點(diǎn)集合，E表示連接頂點(diǎn)的邊集合4。1.3懲罰函數(shù)法 在機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境中因?yàn)橛姓系K物，使得機(jī)器人的路徑規(guī)劃成為一個有約束的問題

2、，懲罰函數(shù)法將這個有約束的問題轉(zhuǎn)化為一系列無約束極小化問題，再通過解決這些無約束問題獲得原約束問題的最優(yōu)解7。2 局部路徑規(guī)劃2.1人工勢場法 人工勢場法是機(jī)器人局部路徑規(guī)劃中最經(jīng)典的方法，該方法是由Khatib在1986年提出的，它的基本原理是：把機(jī)器人在工作環(huán)境中的運(yùn)動看作是在一個人造受力場中的運(yùn)動，其中目標(biāo)對機(jī)器人產(chǎn)生引力，障礙物對機(jī)器人產(chǎn)生斥力，機(jī)器人在這兩類力的合力作用下向目標(biāo)前進(jìn)9，該合力就是機(jī)器人的加速度力，可用來控制機(jī)器人的運(yùn)動方向，利用人工勢場法進(jìn)行機(jī)器人的路徑規(guī)劃,計(jì)算簡單，所規(guī)劃的路徑光滑，有較好的實(shí)時(shí)性，但會因?yàn)榫植孔钚≈刀鴮?dǎo)致目標(biāo)點(diǎn)不能到達(dá)。近幾年來國內(nèi)陸續(xù)有學(xué)者提出

3、了一些改進(jìn)方法。2.2遺傳算法 遺傳算法(GA)的概念最初是由Bagley和Rosengerg于1967年在其博士論文中首先提出了的。在1975年美國Michigan大學(xué)的J. Holland教授把它寫到了專著Adaptation in Natural and Artificial Systems中，此后GA才逐漸為人所知，并且廣泛應(yīng)用到控制、規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面。2.3模擬退火算法模擬退火算法（SA）依據(jù)固體退火原理，固體在加溫時(shí)，內(nèi)部粒子運(yùn)動隨溫升增強(qiáng)，變?yōu)闊o序狀，再進(jìn)行退火，粒子運(yùn)動減弱并漸趨有序，最后達(dá)到穩(wěn)定。把機(jī)器人在未知環(huán)境中的運(yùn)動看作是粒子的布朗運(yùn)動，可以對其隨機(jī)性的擾動應(yīng)用模擬

4、退火算法來引導(dǎo)機(jī)器人向勢能最小的方向運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在線的路徑規(guī)劃4,15。2.4蟻群算法 蟻群算法是由Dorigo M在1991年提出的,主要應(yīng)用于旅行商問題（TSP）、調(diào)度問題（JSP）、車輛路線問題（GCP）17， 3 混合路徑規(guī)劃方法 混合路徑規(guī)劃方法是結(jié)合一種或兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，相互之間取長補(bǔ)短，以提高規(guī)劃效率。闡述移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)發(fā)展趨勢(1)對環(huán)境的感知技術(shù)。機(jī)器人必須通過傳感器感知環(huán)境的信息，處理器通過處理這些傳感器信息后，進(jìn)一步?jīng)Q策機(jī)器人的具體行為。如何正確地感知環(huán)境信息，關(guān)鍵在傳感器，只有先進(jìn)的傳感器才能有效地采集環(huán)境信息，從而提高機(jī)器人動作的準(zhǔn)確性。目前超聲波、激

5、光雷達(dá)、視覺等傳感器在移動機(jī)器人中得到了實(shí)際應(yīng)用，但是這些傳感器都有一定的局限性，例如超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率，視覺傳感器所獲得圖像的清晰和細(xì)膩程度取決于分辨率，分辨率越高圖像越清晰，但所需的存儲空間就越大，圖像分析和處理速度就越慢。所以對移動機(jī)器人的環(huán)境感知技術(shù)將是未來移動機(jī)器人研究的一個突出方面。 (2)多傳感器信息融合技術(shù)。多傳感器信息融合的目的是提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，在移動機(jī)器人路徑規(guī)劃中，傳感器起了很重要的作用，多傳感器所獲得的信息具有冗余性、互補(bǔ)性、協(xié)同性，可對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行快速并行分析，有利于機(jī)器人快速找到有效路徑。但是多傳感器信息融合技術(shù)還存在很多難題，

6、例如如何減小信息融合的錯誤率、如何提高信息融合的實(shí)時(shí)性、如何建立有效的信息融合質(zhì)量評價(jià)機(jī)制等。 (3)群體機(jī)器人的路徑規(guī)劃技術(shù)。群體機(jī)器人在協(xié)作工作時(shí)都希望能找到一條無碰撞、最快到達(dá)目標(biāo)的路徑，群體機(jī)器人路徑規(guī)劃既要考慮避障又要考慮機(jī)器人之間的相互協(xié)作，在路徑規(guī)劃上難度將增加，另外當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)移動時(shí)還要考慮目標(biāo)的位置信息和速度信息，整個路徑規(guī)劃將更加復(fù)雜，這方面研究是今后研究的重點(diǎn)。 目前，對移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃研究提出了很多方法，但尚未形成統(tǒng)一和完善的體系，還有許多關(guān)鍵問題例如機(jī)器人運(yùn)動環(huán)境建模、機(jī)器人導(dǎo)航控制器的學(xué)習(xí)和優(yōu)化、實(shí)時(shí)故障診斷、實(shí)時(shí)運(yùn)動規(guī)劃與控制等技術(shù)問題亟待解決和完善。輪式移動機(jī)構(gòu)

7、的形式與運(yùn)動60年代后期，美國和蘇聯(lián)為完成月球探測計(jì)劃，研制并應(yīng)用了移動機(jī)器人。美國“探測者”3號,其操作器在地面的遙控下，完成了在月球上挖溝和執(zhí)行其他任務(wù)。蘇聯(lián)的“登月者”20號在無人駕駛的情況下降落在月球表面，操作器在月球表面鉆削巖石，并把土壤和巖石樣品裝進(jìn)回收容器并送回地球。70年代初期，日本早稻田大學(xué)研制出具有仿人功能的兩足步行機(jī)器人。為適應(yīng)原子能利用和海洋開發(fā)的需要，極限作業(yè)機(jī)器人和水下機(jī)器人也發(fā)展較快。 移動機(jī)器人隨其應(yīng)用環(huán)境和移動方式的不同，研究內(nèi)容也有很大差別。其共同的基本技術(shù)有傳感器技術(shù)、移動技術(shù)、操作器、控制技術(shù)、人工智能等方面。它有相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚的視覺傳感器、聽覺

8、傳感器和觸覺傳感器。移動機(jī)構(gòu)有輪式（如四輪式、兩輪式、全方向式、履帶式）、足式（如 6足、4足、2足）、混合式(用輪子和足)、特殊式(如吸附式、軌道式、蛇式)等類型。輪子適于平坦的路面，足式移動機(jī)構(gòu)適于山岳地帶和凹凸不平的環(huán)境。移動機(jī)器人的控制方式從遙控、監(jiān)控向自治控制發(fā)展，綜合應(yīng)用機(jī)器視覺、問題求解、專家系統(tǒng)等人工智能等技術(shù)研制自治型移動機(jī)器人。輪式移動機(jī)器人的發(fā)展歷史隨著社會發(fā)展和科技進(jìn)步, 機(jī)器人在當(dāng)前生產(chǎn)生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。移動機(jī)器人是研發(fā)較早的一種機(jī)器人, 移動機(jī)構(gòu)主要有輪式、履帶式、腿式、蛇行式、跳躍式和復(fù)合式。其中履帶式具有接地比壓小, 在松軟的地面附著性能和通過性能好

9、, 爬樓梯、越障平穩(wěn)性高, 良好的自復(fù)位能力等特點(diǎn)。但是履帶式移動平臺的速度較慢、功耗較大、轉(zhuǎn)向時(shí)對地面破程度大。腿式機(jī)器人雖能夠滿足某些特殊的性能要求, 能適應(yīng)復(fù)雜的地形, 但由于其結(jié)構(gòu)自度太多、機(jī)構(gòu)復(fù)雜, 導(dǎo)致難于控制、移動速度慢、功耗大。蛇行式和跳躍式雖然在某些方面, 如復(fù)雜環(huán)境、特殊環(huán)境、機(jī)動性等具有其獨(dú)特的優(yōu)越性, 但也存在一些致命的缺陷, 如承載能力、運(yùn)動平穩(wěn)性等。復(fù)合式機(jī)器人雖能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境或某些特殊環(huán)境, 如管道, 有的甚至還可以變形, 但其結(jié)構(gòu)及控制都比較復(fù)雜。相比之下, 輪式移動機(jī)器人雖然具有運(yùn)動穩(wěn)定性與路面的路況有很大關(guān)系、在復(fù)雜地形如何實(shí)現(xiàn)精確的軌跡控制等問題, 但是由

10、于其具有自重輕、承載大、機(jī)構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便、行走速度快、機(jī)動靈活、工作效率高等優(yōu)點(diǎn), 而被大量應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、反恐防爆、家庭、空間探測等領(lǐng)域1- 1 8。按照車輪數(shù)目雖然不能對輪式移動機(jī)器人進(jìn)行嚴(yán)格的歸類, 但是不同的車輪數(shù)目依然決定了不同的控制方式, 例如滾動機(jī)器人和四輪移動機(jī)器人顯然在控制原理上是不同的。作者通過回顧輪式移動機(jī)器人研究已取得的要成果, 按車輪數(shù)目對地面移動機(jī)器人進(jìn)行了歸類分析, 對單輪滾動機(jī)器人、兩輪移動機(jī)器人、三輪及四輪移動機(jī)器人、復(fù)合式 (帶有車輪 )移動機(jī)器人進(jìn)行了分析和總結(jié)。1 研究現(xiàn)狀1、1單輪滾動機(jī)器人單輪滾動機(jī)器人是一種全新概念的移動機(jī)器人。從外觀

11、上看它只有一個輪子, 它的運(yùn)動方式是沿地面滾動前進(jìn), 后來又開發(fā)出的球型機(jī)器人也屬于單輪滾動機(jī)器人。1、2兩輪移動機(jī)器人兩輪移動機(jī)器人主要包括自行車機(jī)器人和兩輪呈左右對稱布置的兩輪移動機(jī)器人。1、3 三輪及四輪移動機(jī)器人輪式移動機(jī)器人中最常見的機(jī)構(gòu)就是三輪及四輪移動機(jī)器人。當(dāng)在平整地面上行走時(shí), 這種機(jī)器人是最合適的選擇。并且在其他領(lǐng)域 (如汽車領(lǐng)域 ) 已為其發(fā)展提供了成熟的技術(shù)。1、4復(fù)合式移動機(jī)器人由于輪式、履帶式等各類移動機(jī)器人都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn), 因此研制復(fù)合式機(jī)器人就顯得十分必要, 復(fù)合式移動機(jī)器人已逐漸成為現(xiàn)代移動機(jī)器人發(fā)展的重要方向。2相互關(guān)系及性能比較各類輪式移動機(jī)器人之

12、間并不是互不相關(guān)的, 而是存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。在1，2，2節(jié)也提到了這個問題, 依據(jù)半球輪原理構(gòu)建的單輪滾動機(jī)器人的運(yùn)動及控制原理跟兩輪呈左右對稱布置的兩輪移動機(jī)器人是相同的, 當(dāng)把此類單輪滾動機(jī)器人的兩個半球輪換成普通車輪后, 該機(jī)器人就變成了兩輪移動機(jī)器人;兩輪呈左右對稱布置的兩輪移動機(jī)器人完全可以裝在三輪及四輪機(jī)器人上作為機(jī)器人的移動及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)三輪及四輪機(jī)器人的驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)動時(shí), 非驅(qū)動輪與地面之間產(chǎn)生了一個反作用力, 從而防止了機(jī)器人底盤繞驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)。而兩輪移動機(jī)器人由于沒有另外的輪子提供反作用力, 為了防止底盤繞驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn), 從而衍生出了一些其特有的結(jié)構(gòu); 另一方面, 許多復(fù)合式

13、移動機(jī)器人也是從三輪及四輪機(jī)器人上發(fā)展起來的。表 1對各類輪式移動機(jī)器人進(jìn)行了比較。表 1各類輪式機(jī)器人性能比較機(jī)器人 單輪機(jī)器人 自行車機(jī)器人 兩輪機(jī)器人 三輪及四輪機(jī)器人 復(fù)合式機(jī)器人越障能力 一般 較差 一般 一般 優(yōu)良承載能力 較差 一般 一般 優(yōu)良 一般生存能力 優(yōu)良 一般 優(yōu)良 一般 優(yōu)良易于控制 優(yōu)良 較差 一般 優(yōu)良 一般結(jié)構(gòu)簡單 優(yōu)良 優(yōu)良 優(yōu)良 一般 較差復(fù)雜地形 優(yōu)良 一般 一般 一般 優(yōu)良調(diào)速能力 優(yōu)良 一般 一般 優(yōu)良 一般其他能力 跳躍、潛水 無 無 無 變形、跳躍等 非完整輪式移動機(jī)器人的軌跡跟蹤輪式移動機(jī)器人具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用背景。由于這類系統(tǒng)的輪子與地面間的滾動接觸必須滿足純滾動無打滑這一非完整約束的條件才能運(yùn)動，因此是典型的非完整動力學(xué)系統(tǒng)。本文針對兩輪獨(dú)立驅(qū)動的WMR，在充分考慮系統(tǒng)存在的不確定性基礎(chǔ)上，建立了相應(yīng)的WMR系統(tǒng)模型，提出一種魯棒速度跟蹤控制策略。1考慮電機(jī)動態(tài)性能的WMR動力學(xué)模型圖 1所示的WMR， 兩驅(qū)動輪分別 由2臺直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動 。隨動輪僅在運(yùn)動過程中起支撐作用， 其在運(yùn)動學(xué)模型中的影響可忽略不記。