移动机器人路径规划技术研究现状

1、移动机器人路径规划研究现状1全局路径规划1.1栅格分解法    栅格分解法是目前广泛研究的路径规划方法之一。该方法把移动机器人的运动环境分解为多个简单的栅格并根据它们是否被障碍物占据来进行状态描述，障碍物栅格和非障碍物栅格具有不同的标识值，它能快速直观地融合传感器信息。   1.2拓扑法 拓扑法主要包括三部分：划分状态空间、构建特征网、在特征网上搜索路径。拓扑法的基本要素是节点和边，用节点表示某个特定的位置，用边表示这些位置之间的联系，可以用G=(V,E)描述空间的特征，其中V表示顶点集合，E表示连接顶点的边集合4。1.3惩罚函数法&

2、#160;   在机器人运行环境中因为有障碍物，使得机器人的路径规划成为一个有约束的问题，惩罚函数法将这个有约束的问题转化为一系列无约束极小化问题，再通过解决这些无约束问题获得原约束问题的最优解7。2 局部路径规划2.1人工势场法    人工势场法是机器人局部路径规划中最经典的方法，该方法是由Khatib在1986年提出的，它的基本原理是：把机器人在工作环境中的运动看作是在一个人造受力场中的运动，其中目标对机器人产生引力，障碍物对机器人产生斥力，机器人在这两类力的合力作用下向目标前进9，该合力就是机器人的加速度力，可用来控制机器人的运动方向，利

3、用人工势场法进行机器人的路径规划,计算简单，所规划的路径光滑，有较好的实时性，但会因为局部最小值而导致目标点不能到达。近几年来国内陆续有学者提出了一些改进方法。2.2遗传算法    遗传算法(GA)的概念最初是由Bagley和Rosengerg于1967年在其博士论文中首先提出了的。在1975年美国Michigan大学的J. Holland教授把它写到了专著Adaptation in Natural and Artificial Systems中，此后GA才逐渐为人所知，并且广泛应用到控制、规划、优化设计等方面。   2.3模拟退火算

4、法模拟退火算法（SA）依据固体退火原理，固体在加温时，内部粒子运动随温升增强，变为无序状，再进行退火，粒子运动减弱并渐趋有序，最后达到稳定。把机器人在未知环境中的运动看作是粒子的布朗运动，可以对其随机性的扰动应用模拟退火算法来引导机器人向势能最小的方向运动，从而实现机器人在线的路径规划4,15。2.4蚁群算法    蚁群算法是由Dorigo M在1991年提出的,主要应用于旅行商问题（TSP）、调度问题（JSP）、车辆路线问题（GCP）17， 3 混合路径规划方法    混合路径规划方法是结合一种或两种算法的优点，相互之间取长补短，以

5、提高规划效率。  阐述移动机器人路径规划技术发展趋势(1)对环境的感知技术。机器人必须通过传感器感知环境的信息，处理器通过处理这些传感器信息后，进一步决策机器人的具体行为。如何正确地感知环境信息，关键在传感器，只有先进的传感器才能有效地采集环境信息，从而提高机器人动作的准确性。目前超声波、激光雷达、视觉等传感器在移动机器人中得到了实际应用，但是这些传感器都有一定的局限性，例如超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率，视觉传感器所获得图像的清晰和细腻程度取决于分辨率，分辨率越高图像越清晰，但所需的存储空间就越大，图像分析和处理速度就越慢。所以对移动机器人的环境感知技术将

6、是未来移动机器人研究的一个突出方面。    (2)多传感器信息融合技术。多传感器信息融合的目的是提高系统的可靠性和鲁棒性，在移动机器人路径规划中，传感器起了很重要的作用，多传感器所获得的信息具有冗余性、互补性、协同性，可对现场环境进行快速并行分析，有利于机器人快速找到有效路径。但是多传感器信息融合技术还存在很多难题，例如如何减小信息融合的错误率、如何提高信息融合的实时性、如何建立有效的信息融合质量评价机制等。    (3)群体机器人的路径规划技术。群体机器人在协作工作时都希望能找到一条无碰撞、最快到达目标的路径，群体机器人路径规划既要

7、考虑避障又要考虑机器人之间的相互协作，在路径规划上难度将增加，另外当目标点移动时还要考虑目标的位置信息和速度信息，整个路径规划将更加复杂，这方面研究是今后研究的重点。    目前，对移动机器人的路径规划研究提出了很多方法，但尚未形成统一和完善的体系，还有许多关键问题例如机器人运动环境建模、机器人导航控制器的学习和优化、实时故障诊断、实时运动规划与控制等技术问题亟待解决和完善。轮式移动机构的形式与运动60年代后期，美国和苏联为完成月球探测计划，研制并应用了移动机器人。美国“探测者”3号,其操作器在地面的遥控下，完成了在月球上挖沟和执行其他任务。苏联的“登月者”20号

8、在无人驾驶的情况下降落在月球表面，操作器在月球表面钻削岩石，并把土壤和岩石样品装进回收容器并送回地球。70年代初期，日本早稻田大学研制出具有仿人功能的两足步行机器人。为适应原子能利用和海洋开发的需要，极限作业机器人和水下机器人也发展较快。 移动机器人随其应用环境和移动方式的不同，研究内容也有很大差别。其共同的基本技术有传感器技术、移动技术、操作器、控制技术、人工智能等方面。它有相当于人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、听觉传感器和触觉传感器。移动机构有轮式（如四轮式、两轮式、全方向式、履带式）、足式（如 6足、4足、2足）、混合式(用轮子和足)、特殊式(如吸附式、轨道式、蛇式)等类型。轮子适于平坦的

9、路面，足式移动机构适于山岳地带和凹凸不平的环境。移动机器人的控制方式从遥控、监控向自治控制发展，综合应用机器视觉、问题求解、专家系统等人工智能等技术研制自治型移动机器人。轮式移动机器人的发展历史随着社会发展和科技进步, 机器人在当前生产生活中得到了越来越广泛的应用。移动机器人是研发较早的一种机器人, 移动机构主要有轮式、履带式、腿式、蛇行式、跳跃式和复合式。其中履带式具有接地比压小, 在松软的地面附着性能和通过性能好, 爬楼梯、越障平稳性高, 良好的自复位能力等特点。但是履带式移动平台的速度较慢、功耗较大、转向时对地面破程度大。腿式机器人虽能够满足某些特殊的性能要求, 能适应复杂的地形, 但由

10、于其结构自度太多、机构复杂, 导致难于控制、移动速度慢、功耗大。蛇行式和跳跃式虽然在某些方面, 如复杂环境、特殊环境、机动性等具有其独特的优越性, 但也存在一些致命的缺陷, 如承载能力、运动平稳性等。复合式机器人虽能适应复杂环境或某些特殊环境, 如管道, 有的甚至还可以变形, 但其结构及控制都比较复杂。相比之下, 轮式移动机器人虽然具有运动稳定性与路面的路况有很大关系、在复杂地形如何实现精确的轨迹控制等问题, 但是由于其具有自重轻、承载大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、机动灵活、工作效率高等优点, 而被大量应用于工业、农业、反恐防爆、家庭、空间探测等领域1- 1 8。按照车轮数目虽

11、然不能对轮式移动机器人进行严格的归类, 但是不同的车轮数目依然决定了不同的控制方式, 例如滚动机器人和四轮移动机器人显然在控制原理上是不同的。作者通过回顾轮式移动机器人研究已取得的要成果, 按车轮数目对地面移动机器人进行了归类分析, 对单轮滚动机器人、两轮移动机器人、三轮及四轮移动机器人、复合式 (带有车轮 )移动机器人进行了分析和总结。1 研究现状1、1单轮滚动机器人单轮滚动机器人是一种全新概念的移动机器人。从外观上看它只有一个轮子, 它的运动方式是沿地面滚动前进, 后来又开发出的球型机器人也属于单轮滚动机器人。1、2两轮移动机器人两轮移动机器人主要包括自行车机器人和两轮呈左右对称布置的两轮

12、移动机器人。1、3 三轮及四轮移动机器人轮式移动机器人中最常见的机构就是三轮及四轮移动机器人。当在平整地面上行走时, 这种机器人是最合适的选择。并且在其他领域 (如汽车领域 ) 已为其发展提供了成熟的技术。1、4复合式移动机器人由于轮式、履带式等各类移动机器人都具有各自的优点和缺点, 因此研制复合式机器人就显得十分必要, 复合式移动机器人已逐渐成为现代移动机器人发展的重要方向。2相互关系及性能比较各类轮式移动机器人之间并不是互不相关的, 而是存在着一定的内在联系。在1，2，2节也提到了这个问题, 依据半球轮原理构建的单轮滚动机器人的运动及控制原理跟两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人是相同的,

13、当把此类单轮滚动机器人的两个半球轮换成普通车轮后, 该机器人就变成了两轮移动机器人;两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人完全可以装在三轮及四轮机器人上作为机器人的移动及转向机构。当三轮及四轮机器人的驱动马达转动时, 非驱动轮与地面之间产生了一个反作用力, 从而防止了机器人底盘绕驱动轴旋转。而两轮移动机器人由于没有另外的轮子提供反作用力, 为了防止底盘绕驱动轴旋转, 从而衍生出了一些其特有的结构; 另一方面, 许多复合式移动机器人也是从三轮及四轮机器人上发展起来的。表 1对各类轮式移动机器人进行了比较。表 1各类轮式机器人性能比较机器人 单轮机器人 自行车机器人 两轮机器人 三轮及四轮机器人 复合

14、式机器人越障能力 一般 较差 一般 一般 优良承载能力 较差 一般 一般 优良 一般生存能力 优良 一般 优良 一般 优良易于控制 优良 较差 一般 优良 一般结构简单 优良 优良 优良 一般 较差复杂地形 优良 一般 一般 一般 优良调速能力 优良 一般 一般 优良 一般其他能力 跳跃、潜水 无 无 无 变形、跳跃等 非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪轮式移动机器人具有广泛的实际应用背景。由于这类系统的轮子与地面间的滚动接触必须满足纯滚动无打滑这一非完整约束的条件才能运动，因此是典型的非完整动力学系统。本文针对两轮独立驱动的WMR，在充分考虑系统存在的不确定性基础上，建立了相应的WMR系统模型，提出一种鲁棒速度跟踪控制策略。1考虑电机动态性能的WMR动力学模型图 1所示的WMR， 两驱动轮分别 由2台直流电机独立驱动 。随动轮仅在运动过程中起支撑作用， 其在运动学模型中