基于多傳感器信息融合技術(shù)的機器人路徑規(guī)劃

【摘要】針對機器人在自由行走過程中尋路效率和避障問題，提出相應(yīng)的解決方案，文章主要研究利用多傳感器融合信息技術(shù)解決行走過程中的避障問題。

【關(guān)鍵詞】機器人；傳感器；路徑規(guī)劃

The technology of multi-sensor fusion information using in robot path planning

（Inner Mongolia University of College of Mechanical Engineering，Hohhot 010051，China）

Abstract： Put forward a solution for path finding efficiency in the process of free walking robot and obstacle avoidance. The paper mainly studies to solve the obstacle avoidance problem in the process of walking using multi-sensor fusion of information technology.

Key words： Robot； Sensor； Path planning

1、引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人的智能化程度越來越高，但是在具有動態(tài)障礙物的復(fù)雜環(huán)境中，這種智能性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如何及時地知道自己已經(jīng)陷入環(huán)境的困境，甚至提前預(yù)知自己即將進入局部最優(yōu)并且避免局勢的惡化，則需要機器人智能化的更高發(fā)展。單個傳感器難以保證采集信息的全面和準(zhǔn)確，多個傳感器的采集信息具有冗余性、互補性和相對全面性，可以快速并行地分析現(xiàn)場環(huán)境，得出相對準(zhǔn)確的現(xiàn)場信息。多傳感器信息融合的傳感器種類范圍越來越大，傳感器種類的增加同時也增加了信息融合的復(fù)雜度。路徑規(guī)劃技術(shù)是機器人研究領(lǐng)域中必不可少的一個環(huán)節(jié)，機器人的路徑規(guī)劃是指機器人行走在有障礙物的環(huán)境中，能夠按照一定的評價標(biāo)準(zhǔn)例如行走路線最短、所用時間最少等，為機器人尋找一條從起點到終點的安全無碰撞或者能夠避開障礙物的路徑，因此，路徑規(guī)劃問題又可以稱為避碰規(guī)劃問題[1]。

2、常見的路徑規(guī)劃技術(shù)

目前，根據(jù)機器人對行走環(huán)境已知與否，可將路徑規(guī)劃分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。所謂的全局路徑規(guī)劃是指在環(huán)境信息完全已知的前提下，按照一定的規(guī)則尋找一條無碰撞的優(yōu)化路徑，對環(huán)境信息掌握的準(zhǔn)確程度決定規(guī)劃路徑的精確程度[2]。目前比較流行的全局路徑規(guī)劃主要有柵格法、自由空間法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。局部路徑規(guī)劃是指環(huán)境信息完全未知或部分未知，其更多地依賴于傳感器信息，根據(jù)傳感器的信息判斷周圍環(huán)境是否有物體，從而確定出機器人在地圖中的當(dāng)前位置及周圍局部范圍內(nèi)的障礙物分布情況，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)一定的算法規(guī)劃出一條從當(dāng)前點到目標(biāo)點的最優(yōu)路徑[3]。目前比較流行的算法有蟻群優(yōu)化算法[4]、遺傳算法、粒子群算法以及模糊邏輯控制算法等。

3、多傳感器信息融合的機器人路徑規(guī)劃

多傳感器信息融合的機器人路徑規(guī)劃驗證是以能力風(fēng)暴智能移動機器人教學(xué)版AS-UIII及其配件（如圖1所示）為平臺，采用仿真軟件和實物架構(gòu)相結(jié)合的方式。仿真環(huán)境采用VJC1.5仿真版軟件（如圖2、3、4、5），仿真環(huán)境支持流程圖編程、JC編程模式，同時支持復(fù)雜運行環(huán)境的搭建。仿真軟件的編程環(huán)境中編寫的程序可以直接下載到機器人中運行，同時又可以在仿真環(huán)境中搭建機器人的運行場地，極大地節(jié)省了調(diào)試的時間。在仿真環(huán)境中調(diào)試完成的算法，只需要在真實運行場地中調(diào)整機器人運行參數(shù)即可。

紅外測距傳感器的測距范圍是10cm-80cm，超聲波傳感器的測距范圍是41cm-700cm，兩種傳感器結(jié)合使用，將機器人的測距范圍擴大到700cm，10cm以內(nèi)被紅外測距傳感器和超聲波傳感器漏掉的障礙物，依靠機器人本身帶的碰撞傳感器做檢測。使用的是“左手規(guī)則”進行項目驗證，即機器人在前方有障礙物的時候優(yōu)先選擇左轉(zhuǎn)。機器人躲避障礙物的工作流程圖如圖6所示。

采用這樣一個工作過程/流程，使得機器人能“預(yù)見”運動前方的障礙物，在超聲波傳感器檢測到遠(yuǎn)方有障礙物的情況下即啟用紅外測距傳感器和碰撞傳感器檢測，如果是前進道路上的“必然”障礙，則提前做好準(zhǔn)備，如果是“偶然”障礙，則會在其他傳感器的檢測過程中消失。

4、總結(jié)

成熟的路徑規(guī)劃技術(shù)已經(jīng)取得了令人相對滿意的效果，但是由于未知環(huán)境的復(fù)雜性，特別是環(huán)境信息的多變性，對機器人路徑規(guī)劃技術(shù)的實時性提出了更高的要求，如何快速、準(zhǔn)確地完成復(fù)雜環(huán)境中的機器人路徑規(guī)劃，將會是接下來機器人路徑規(guī)劃研究領(lǐng)域的主要內(nèi)容。

參考文獻

[1]王欣.基于三角網(wǎng)追蹤的機器人路徑規(guī)劃計算機應(yīng)用技術(shù)[D].碩士中國石油大學(xué)（華東），2009.

[2]李愛萍，李元宗.機器人路徑規(guī)劃方法的研究[J].機械工程與自動化，2009年5期：194-196.

[3]王宗堯，司應(yīng)濤，國海濤.機器人路徑規(guī)劃方法的研究現(xiàn)狀與展望[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報，2007年3期：49-51，56.

[4]賈翠玲，王利利，徐明娜.基于改進蟻群算法的滅火機器人路徑規(guī)劃研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)（自然科學(xué)版），2012.7，33（4）：157-160.

作者簡介

郭振華（1992-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特，本科生，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機械學(xué)院。研究方向：機器人技術(shù)、路徑規(guī)劃等.

基金項目

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實踐項目.