移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃

近年來(lái),移動(dòng)機(jī)器人的研究受到了人們的高度重視,人們對(duì)于機(jī)器人的要求不再局限于簡(jiǎn)單的移動(dòng),而是希望機(jī)器人能夠根據(jù)周?chē)h(huán)境變化采取對(duì)應(yīng)措施,做到自主移動(dòng)的能力。因此,路徑規(guī)劃作為移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要因素就顯得尤為重要。

路徑規(guī)劃是指移動(dòng)機(jī)器人能夠規(guī)劃出一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的路徑。大致包括信息獲取-感知-通信-決策-控制-執(zhí)行這幾點(diǎn)。

移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)又可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃:

全局路徑規(guī)劃是指在已知環(huán)境中為機(jī)器人規(guī)劃一條路線,路徑規(guī)劃的精度取決于環(huán)境獲取的準(zhǔn)確度,全局路徑規(guī)劃可以找到最優(yōu)解,但是需要預(yù)先知道環(huán)境的準(zhǔn)確信息,當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化,如出現(xiàn)未知障礙物時(shí),該方法就無(wú)能為力了。它是一種事前規(guī)劃,因此對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力要求不高,雖然規(guī)劃結(jié)果是全局的、較優(yōu)的,但是對(duì)環(huán)境模型的錯(cuò)誤及噪聲魯棒性差。

而局部路徑規(guī)劃則環(huán)境信息完全未知或有部分可知,側(cè)重于考慮機(jī)器人當(dāng)前的局部環(huán)境信息,讓機(jī)器人具有良好的避障能力,通過(guò)傳感器對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè),以獲取障礙物的位置和幾何性質(zhì)等信息,這種規(guī)劃需要搜集環(huán)境數(shù)據(jù),并且對(duì)該環(huán)境模型的動(dòng)態(tài)更新能夠隨時(shí)進(jìn)行校正,局部規(guī)劃方法將對(duì)環(huán)境的建模與搜索融為一體,要求機(jī)器人系統(tǒng)具有高速的信息處理能力和計(jì)算能力,對(duì)環(huán)境誤差和噪聲有較高的魯棒性,能對(duì)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和校正,但是由于缺乏全局環(huán)境信息,所以規(guī)劃結(jié)果有可能不是最優(yōu)的,甚至可能找不到正確路徑或完整路徑。

全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別,很多適用于全局路徑規(guī)劃的方法經(jīng)過(guò)改進(jìn)也可以用于局部路徑規(guī)劃,而適用于局部路徑規(guī)劃的方法同樣經(jīng)過(guò)改進(jìn)后也可適用于全局路徑規(guī)劃。兩者協(xié)同工作,機(jī)器人可更好的規(guī)劃從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的行走路徑。

在實(shí)際情況中,機(jī)器人路徑規(guī)劃除了考慮已知環(huán)境和未知環(huán)境地圖,還要考慮到動(dòng)態(tài)和靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃。

A*(A-Star)算法是一種靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路徑最有效的直接搜索方法,也是解決許多搜索問(wèn)題的有效算法。算法中的距離估算值與實(shí)際值越接近,最終搜索速度越快。但是,A*算法同樣也可用于動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃當(dāng)中,只是當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí),需要重新規(guī)劃路線。

而D*算法則是一種動(dòng)態(tài)啟發(fā)式路徑搜索算法,它事先對(duì)環(huán)境位置,讓機(jī)器人在陌生環(huán)境中行動(dòng)自如,在瞬息萬(wàn)變的環(huán)境中游刃有余。D*算法的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)先探明地圖,機(jī)器人可以和人一樣,即使在未知環(huán)境中,也可以展開(kāi)行動(dòng),隨著機(jī)器人不斷探索,路徑也會(huì)時(shí)刻調(diào)整。

從目前的研究成果來(lái)看,移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃已取得了豐碩的成果,但在全局與局部路徑規(guī)劃方法中仍有諸多不足之處,為此,國(guó)內(nèi)已有針對(duì)這類(lèi)算法的改進(jìn),例如思嵐科技的SLAMWARE模塊化自主定位導(dǎo)航,SLAMWARE內(nèi)采用改良的D*算法進(jìn)行路徑規(guī)劃,這也是美國(guó)火星探測(cè)器采用的核心尋路算法。是一種動(dòng)態(tài)啟發(fā)式路徑搜索算法。該算法的最大優(yōu)點(diǎn)在于不需要預(yù)先探明地圖,機(jī)器人可以和人一樣,即使在未知環(huán)境中,也可以展開(kāi)行動(dòng),隨著機(jī)器人不斷探索,路徑也會(huì)時(shí)刻調(diào)整。

審核編輯 黃昊宇