關(guān)于機(jī)器人路徑規(guī)劃的概述

路徑規(guī)劃的定義

路徑規(guī)劃技術(shù)是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。所謂機(jī)器人的最優(yōu)路徑規(guī)劃問題，就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則（如工作代價(jià)最小、行走路線最短、行走時(shí)間最短等），在其工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的能避開障礙物的最優(yōu)路徑。

機(jī)器人路徑規(guī)劃方法大致可以分為兩類：傳統(tǒng)方法和智能方法。

一、傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法

傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法有自由空間法、圖搜索法、柵格解耦法和人工勢(shì)場(chǎng)法。

1、自由空間法

為了簡(jiǎn)化問題，通常采用“結(jié)構(gòu)空間”來描述機(jī)器人及其周圍的環(huán)境。這種方法將機(jī)器人縮小成點(diǎn)，將其周圍的障礙物及邊界按比例相應(yīng)地?cái)U(kuò)大，使機(jī)器人點(diǎn)能夠在障礙物空間中移動(dòng)到任意一點(diǎn)，而不與障礙物及邊界發(fā)生碰撞。

2、圖搜索法

圖搜索方法中的路徑圖由捕捉到的存在于機(jī)器人一維網(wǎng)絡(luò)曲線（稱為路徑圖）自由空間中的節(jié)點(diǎn)組成。建立起來的路徑圖可以看作是一系列的標(biāo)準(zhǔn)路徑。而路徑的初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)同路徑圖中的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，這樣路徑規(guī)劃問題就演變?yōu)樵谶@些點(diǎn)間搜索路徑的問題。通過起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)及障礙物的頂點(diǎn)在內(nèi)的一系列點(diǎn)來構(gòu)造可視圖。連接這些點(diǎn), 使某點(diǎn)與其周圍的某可視點(diǎn)相連（即使相連接的兩點(diǎn)間不存在障礙物或邊界）。然后機(jī)器 人沿著這些點(diǎn)在圖中搜索最優(yōu)路徑。

3、柵格解耦法

柵格解耦法是目前研究最廣泛的路徑規(guī)劃方法.該方法將機(jī)器人的工作空間解耦為多個(gè)簡(jiǎn)單的區(qū)域，一般稱為柵格。由這些柵格構(gòu)成了一個(gè)連通圖，在這個(gè)連通圖上搜索一條從起始柵格到目標(biāo)槎格的路徑，這條路徑是用柵格的序號(hào)來表示的。柵格解耦法包括確切的和不確切的兩種。不確切的解耦方法比確切的解羯方法在數(shù)學(xué)計(jì)算上要簡(jiǎn)單的多，因此也比較容易實(shí)現(xiàn)。

4、人工勢(shì)場(chǎng)法

傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)法把移動(dòng)機(jī)器人在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)視為一種在 抽象的人造受力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生“引力”，障礙物對(duì)移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生“斥力”，最后通過求合力來控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。但是，由于勢(shì) 場(chǎng)法把所有信息壓縮為單個(gè)合力，這樣就存在把有關(guān)障礙物分布的有價(jià)值的信息 拋棄的缺陷，且易陷入局部最小值。

二、智能路徑規(guī)劃方法

近年來隨著遺傳算法等智能方法的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人路徑規(guī)劃方法也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，許多研究者把目光放在了基于智能算法的路徑規(guī)劃研究上。其中，應(yīng)用較多的算法主要有模糊方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法。

1、基于模糊邏輯的機(jī)器人路徑規(guī)劃模糊方法是在線規(guī)劃中通常采用的一種規(guī)劃方法,包括建筑和局部規(guī)劃。莊小東等提出一種基于模糊柢念的動(dòng)態(tài)環(huán)境模型，參照物體的位置和運(yùn)動(dòng)信息構(gòu)造二維錄度數(shù)函數(shù)；然后通過模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)各個(gè)方向進(jìn)行綜合考察，得到搜索結(jié)果。該方法在移動(dòng)障礙物和移動(dòng)目標(biāo)的環(huán)境中能有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避碰和導(dǎo)航。

2、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的機(jī)器人路徑規(guī)劃禹建麗等提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人路徑規(guī)劃算法，研究了障礙物形狀和位置已知情況下的機(jī)器人路徑規(guī) 劃算法，其能量函數(shù)的定義利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)路徑點(diǎn)位于障礙物內(nèi)外的不同位置選取不同的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，規(guī)劃出的路徑達(dá)到了折線形的最短無碰路徑，計(jì)算簡(jiǎn)單，收斂速度快。

3、基于遺傳算法的機(jī)器人路徑規(guī)劃遺傳算法是目前機(jī)器人路徑規(guī)劃研究中應(yīng)用較多的一種方法，無論是單機(jī)器人靜態(tài)工作空間，還是多機(jī)器人動(dòng)態(tài)工作空間，遺傳算法及其派生算法都取得了良好的路徑規(guī)劃結(jié)果。