災難救援機器人研究現(xiàn)狀及機器人路徑規(guī)劃

災難救援機器人研究現(xiàn)狀及路徑規(guī)劃概述

主要內容容2.什么是路路徑規(guī)劃劃3.路徑規(guī)劃劃的常用用方法4.人工勢場場法1.災難救援援機器人人研究現(xiàn)現(xiàn)狀1.1日日本的研研究2002年開始始,日日本文化化科學部部確立了了“大大都市大大震災減減災特別別計劃””的研研究計劃劃,進一一步開發(fā)發(fā)在地震震中使用用的救援援機器人人。研研發(fā)內容容包括用用于觀察察災難環(huán)環(huán)境的機機器人系系統(tǒng)、傳傳感技術術、人類類接口技技術和系系統(tǒng)集成成川崎市為為該項目目建立了了公用試試驗場地地,并建建立了國國際救援援系統(tǒng)研研究所。。目的是實實現(xiàn)在非非常困難難的大規(guī)規(guī)模災害害救援活活動中,,即使使是在混混亂中也也能對進進行情報報收集和和判斷,,根據(jù)據(jù)災害狀狀況進行行最優(yōu)的的救助。。計劃中主主要研究究工作有有對機器器人、智智能傳感感器、攜攜帶終端端裝置和和人機接接口等進進行研究究開發(fā),,進行行能動地地、智能能地情報報收集,,用網網絡進行行情報的的傳遞、、匯總和和歸納等等。1.1日日本的研研究日本東京京工業(yè)大大學的廣廣獺是最最早從事事救援機機器人研研究的學學者之一一,從從仿生的的角度和和基于超超機械系系統(tǒng)的思思想先后后研制了了多系列列救援機機器人樣樣機。1.1日日本的研研究一些大公司司也介入入了救援援機器人人的研究究和開發(fā)發(fā),他他們通常常采用與與研究所所或和大大學進行行合作的的形式進進行研究究,一一方面企企業(yè)為研研究所提提供必要要的研究究資金和和試驗場場地,同同時企企業(yè)還為為研究成成果的產產品化提提供通往往市場的的橋梁如圖所示示的五種種機器人人分別為為東芝、、三菱重重工等公公司研制制。1.2美美國的研研究“9..11””事件件后,災災難救救援機器器人技術術在美國國日益受受到重視視?！?.11”事事件的的災難現(xiàn)現(xiàn)場救援援認為是是災難救救援機器器人的第第一次實實際應用用。在紐約世世界貿易易中心遭遭到恐怖怖襲擊發(fā)發(fā)生后幾幾小時,,美國國“機機器人輔輔助搜救救中心””應紐紐約市緊緊急事務務管理辦辦公室要要求,立立即組組織了一一支由機機器人專專家和生生產廠家家技術人人員構成成的隊伍伍。1.3中中國的研研究提出圍繞繞奧運會會和世博博會的安安保工作作,研研發(fā)我國國的立體體安全保保衛(wèi)裝備備系統(tǒng)的的建議，，具體體是研究究開發(fā)適適用于地地面、墻墻面、涵涵道的先先進探測測機器人人、超小小型飛行行器、淺淺水潛游游探測機機器人,,形成成能對奧奧運會的的運動場場館、世世博會的的會展現(xiàn)現(xiàn)場以及及重要設設施和場場所進行行全方位位立體的的危險品品探測以以及對重重要場所所進行立立體應急急處理安安全保衛(wèi)衛(wèi)裝備系系統(tǒng)。在863計劃資資助下,,中國國科學院院沈陽自自動化研研究所開開展了多多項危險險作業(yè)和和極限作作業(yè)機器器人研究究,其中中救援機機器人是是重要的的一個部部分。1.3其其它國家家的研究究意大利羅羅馬大學學系統(tǒng)科科學與工工程學院院人工智智能實驗驗室啟動動了“救救援工工程”加拿大國國防部從從國防安安全的角角度制定定了救援援機器人人研究計計劃英國、伊伊朗等國國也涌現(xiàn)現(xiàn)了許多多救援機機器人研研究者和和救援機機器人比比賽的參參與者……1.4災災難救救援機器器人關鍵鍵性能救援機器器人的關關鍵性能能主要有有以下幾幾個方面面:存活能力力運動能力力感知能力力通訊能力力作業(yè)能力力。1.4災災難救救援機器器人關鍵鍵性能存活能力力:救援機器器人的存存活能力力主要是是機器人人本體的的可靠性性、耐用用性和適適應性問問題。災災難后環(huán)環(huán)境中存存在毒氣氣、毒液液、生化化、放射射性、非非常溫和和二次倒倒塌等危危險,機機器人人對環(huán)境境的適應應特別重重要。在在溫度方方面,災災難后環(huán)環(huán)境存在在高溫可可能,機機器人人本體必必須能夠夠克服條條件的影影響,設設計時時在材質質的選擇擇上需要要進行周周密的考考慮。在救援機機器人的的能源供供給方面面,需需要采用用有線和和無線相相結合的的方式,,以保保障救援援機器人人足夠的的動力和和工作時時間。應該具有有自適應應能力,,具有有預見能能力。它它們應該該能適應應環(huán)境,,適合合完成挑挑戰(zhàn)性的的工作,,并且且具有智智能以至至于能夠夠應對由由各種不不穩(wěn)定和和不確定定的因素素所引起起的干擾擾。1.4災災難救救援機器器人關鍵鍵性能運動能力力:災難救援援環(huán)境對對機器人人的運動動能力要要求較高高,機器人移移動平臺臺十分重要要。機器人必必須不斷斷地翻越越各種垂垂直的障障礙物,,平臺臺的穩(wěn)定定性和自自調整能能力很重重要,要要盡可可能避免免由從高高度墜下下而將機機器人摔摔碎。目目前解決決這些困困難的方方法是設設計一種種蛇形機機構,這這種機機構已被被證實是是有效的的搜救機機構之一一。災難后環(huán)環(huán)境存在在松軟的的灰土地地面、由由于消防防用水或或漏水導導致的泥泥濘路面面及坎坷坷不平的的廢墟地地面等多多種地面面地形,,機器器人必須須具有高高度的地地面適應應性能,,在輪輪式、履履帶式和和腿式等等移動機機構當中中,履帶、輪輪、腿復復合的復復合移動動機構將將被廣泛泛采用。。1.4災災難救救援機器器人關鍵鍵性能感知能力力:對救援機機器人而而言,救救援機機器人的的傳感器器是最脆脆弱的元元件,它它主要要有三個個方面的的傳感要要求對機機器人的的控制、、對環(huán)境境的檢測測和對遇遇難者的的發(fā)現(xiàn)。。機器人的的控制方方面,為為了讓讓機器人人正常工工作,必必須對對機器人人的位置置、姿態(tài)態(tài)、速度度和系統(tǒng)統(tǒng)內部狀狀態(tài)等進進行檢測測,系系統(tǒng)可以以采用傳傳統(tǒng)機器器人的攝攝像機、、激光測測距儀、、超聲測測距儀、、接觸和和接近傳傳感器、、紅外線線傳感器器和雷達達定位傳傳感器等等。新的技術術如數(shù)字字溫度攝攝像機具具有很好好的識別別能力,,但是是對操作作者具有有很高的的要求。。地面穿穿透雷達達、微波波雷達、、激光探探測儀具具有很好好的效果果,但但是系統(tǒng)統(tǒng)的花費費和能量量消耗均均較多,,另外外的一種種可能就就是利用用人工智智能技術術、納米米技術或或仿生技技術來開開發(fā)價格格低傳感感器。救援機器器人多傳傳感器之之間存在在信息的的處理和和融合問問題。1.4災災難救救援機器器人關鍵鍵性能通信能力力:操作人員員和機器器人之間間的通信信、操作作人員和和遇難者者之間的的通信和和多救援援機器人人之間的的通信。。所有的的通信通通常采用用無線的方方式。理想的情情況是自自主機器器人具有有通過災災難現(xiàn)場場一切環(huán)環(huán)境的能能力,對對遇難難者進行行定位,,與救援援隊伍進進行通訊訊和聯(lián)系系實際上上,這這里包含含了大量量的軟件件處理與與計算,,機器器人自身身難以獨獨立完成成,人機機交互的的介入是是必要和和必須的的。多救援機機器人之之間的通通訊,受受到廢廢墟遮擋擋的影響響,目目前還不不能夠很很好地在在救援機機器人系系統(tǒng)中實實現(xiàn),但但是它它也是迫迫切需要要解決的的問題之之一。1.4災災難救救援機器器人關鍵鍵性能機器人的的作業(yè)能能力是機機器人的的存活能能力、運運動能力力、感知知能力、、通信能能力和人人機交互互有機結結合的體體現(xiàn),它它主要包包括以下下幾個方方面：勘探搜尋救助1.5災災難救救援機器器人發(fā)展展方向1、多種技術術融合化化1.5災災難救救援機器器人發(fā)展展方向2、多智能體體網絡化化2.1定定義依據(jù)某種種最優(yōu)準準則，在在工作空空間中尋尋找一條條從起始始狀態(tài)到到目標狀狀態(tài)的避避開障礙礙物的最最優(yōu)路徑徑。需要解決決的問題題：1.始始于初始始點止于于目標點點。2.避避障。3.盡盡可能優(yōu)優(yōu)化的路路徑。2.什么是路路徑規(guī)劃劃3.機機器人人路徑規(guī)規(guī)劃常用用方法3.4人人工勢勢場法3.1基基于幾幾何構造造的方法法3.2柵柵格法法3.3智智能化化路徑規(guī)規(guī)劃方法法3.1基基于幾何何構造的的方法（（自由由空間法法）基本步驟驟：1.將機機器人抽抽象為點點，適當當擴大障障礙物的的大小。。2.構造造自由空空間。3.采用用圖搜索索算法如如Dijkstra算算法尋找找最優(yōu)路路徑。3.1..1基于于幾何構構造的常常用算法法可視圖法法

Voronoi法

3.2柵柵格法（（1）圖中灰色區(qū)域為為障礙物物3.2柵柵格法（（2）圖中黃色色的路線線表示該該算法得得到的最最優(yōu)路徑徑3.2D*（dynamicA**)算法法（3））美國火星星探測器器核心的的尋路算算法就是是采用的的D*算算法適合于動動態(tài)路徑徑規(guī)劃D*算法法的思路路可以推推廣到改改造自由由空間法法使其具具有動態(tài)態(tài)規(guī)劃功功能3.3智智能化路路徑規(guī)劃劃方法基于邏輯輯推理的的路徑規(guī)規(guī)劃方法法基于模糊糊邏輯的的路徑規(guī)規(guī)劃方法法基于強化化學習的的路徑規(guī)規(guī)劃方法法基于遺傳傳算法的的路徑規(guī)規(guī)劃方法法基于神經經網絡的的路徑規(guī)規(guī)劃方法法3.3..1基于于邏輯推推理的路路徑規(guī)劃劃方法1.定義義一個狀狀態(tài)（state）集集，該集集合反映映機器人人通過傳傳感器測測得的當當前狀態(tài)態(tài)。2.定義義一個行行為（action））集，該該集合反反映了機機器人當當前可以以采取的的動作。。3.確定定從狀態(tài)態(tài)到行為為的映射射關系。。3.3..2基于于模糊邏邏輯的路路徑規(guī)劃劃方法在基于邏邏輯推理理的路徑徑規(guī)劃方方法基礎礎進行改改進：傳感器的的一次測測量值與與多個狀狀態(tài)對應應，每個個狀態(tài)有有一個隸隸屬度對對應。根據(jù)模糊糊推理結結果確定定行為。。3.3..3基于于強化學學習的路路徑規(guī)劃劃在基于邏邏輯推理理的路徑徑規(guī)劃方方法基礎礎進行改改進：具有在線線學習功功能（通通過Q學學習算法法實現(xiàn)））3.3..4基于于遺傳算算法的路路徑規(guī)劃劃（1））建模：對2維路路徑規(guī)劃劃問題，，將待規(guī)規(guī)劃的路路徑看成成是n個個點組成成的點集集，除初初始點和和目標點點外其余余n-2個點{{（xi，yi）}i=2,,