室內(nèi)環(huán)境下移動機(jī)器人地圖構(gòu)建與路徑規(guī)劃技術(shù)

文/陳雪超 開超 盧飛宇

通過對某一個(gè)移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃進(jìn)行分析，到對多個(gè)移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃，最終到很多移動機(jī)器人進(jìn)行地圖構(gòu)建。當(dāng)前在我國很多領(lǐng)域，移動機(jī)器人的運(yùn)用越來越廣泛，將從事于惡劣工作環(huán)境下的人們正在不斷的解放出來。這能促進(jìn)移動機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展，對于研究單個(gè)移動機(jī)器人和多個(gè)移動機(jī)器人的運(yùn)用都有著很好的促進(jìn)作用。

1 我國關(guān)于移動機(jī)器人的研究以及現(xiàn)況分析

我國移動機(jī)器人的研究雖然起步較晚，但我國在移動機(jī)器人的研究上投入了較多的精力。我國研究學(xué)者受到來自自然界的動物群體性行為的影響，不斷的對智慧群體的進(jìn)行深入的分析。這主要是集中在對移動機(jī)器人的協(xié)調(diào)、控制等問題進(jìn)行分析。多智能體的研究也主要集中在分離性、隊(duì)列性以及群聚性的分析。分離性主要是避免移動機(jī)器人之間出現(xiàn)相互碰撞，隊(duì)列性主要是指移動機(jī)器人的移動速度出現(xiàn)相等，群聚性主要是指隊(duì)伍中的移動機(jī)器人之間的距離往往會保持在一定的范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)偏離很遠(yuǎn)的現(xiàn)象。當(dāng)前對多智能系統(tǒng)的運(yùn)用非常廣泛，能夠運(yùn)用在地圖構(gòu)建以及協(xié)同完成共同的任務(wù)，從而彌補(bǔ)單個(gè)移動機(jī)器人的缺陷與不足。當(dāng)前有兩種地圖構(gòu)建的方法，分為已知環(huán)境的地圖進(jìn)行重新構(gòu)建和對未知環(huán)境的地圖進(jìn)行構(gòu)建，對未知環(huán)境的地圖構(gòu)建只能通過傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集而構(gòu)建。

當(dāng)前很多地圖構(gòu)建的方式主要是通過結(jié)合視覺SLAM技術(shù)進(jìn)行單個(gè)移動機(jī)器人的地圖構(gòu)建，假定需要構(gòu)建很大區(qū)域的地圖信息，則單個(gè)移動機(jī)器人的地圖構(gòu)建效率將會出現(xiàn)明顯的降低。這是由于單個(gè)移動機(jī)器人在對位置數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的時(shí)候計(jì)算過程很復(fù)雜，往往需要上位機(jī)具備很高的計(jì)算能力，才能夠確保地圖信息的實(shí)時(shí)。如果單個(gè)移動機(jī)器人出現(xiàn)故障，將會使得地圖構(gòu)建工作出現(xiàn)停滯。

通過分布式分任務(wù)的形式來對地圖信息進(jìn)行構(gòu)建，將會快速的獲取未知的地圖信息。移動機(jī)器人之間通過信息傳輸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使得每一個(gè)移動機(jī)器人能夠快速的獲取其他機(jī)器人的位置信息以及對周圍環(huán)境的探測信息，并且機(jī)器人之間的信息傳輸是相互的。

當(dāng)前單個(gè)移動機(jī)器人在商業(yè)上得到了廣泛的運(yùn)用，這主要是移動機(jī)器人能夠快速的獲取想要獲取的數(shù)據(jù)，并且能夠在危險(xiǎn)地帶進(jìn)行工作。單移動機(jī)器人以及多個(gè)移動機(jī)器人有著不同的運(yùn)用場景，將對單移動機(jī)器人的研究技術(shù)運(yùn)用到多移動機(jī)器人研究有著非常重要的作用。

2 分析室內(nèi)環(huán)境下移動機(jī)器人地圖構(gòu)建與路徑規(guī)劃技術(shù)

2.1 移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃技術(shù)

移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃在對我們有著非常重要的促進(jìn)作用。路徑規(guī)劃又分為全局路徑規(guī)劃以及區(qū)域路徑規(guī)劃，全局路徑規(guī)劃是指所有的信息數(shù)據(jù)都已經(jīng)被提前得知，對區(qū)域路徑規(guī)劃主要是指部分的信息數(shù)據(jù)還需要獲取。當(dāng)前在移動機(jī)器人路徑規(guī)劃上的研究方法主要有人工魚群算法、蟻群算法等等。在移動機(jī)器人在進(jìn)行路徑規(guī)劃的起點(diǎn)與重點(diǎn)輸入任意角度的模糊推理算法系統(tǒng)。該算法有著路徑規(guī)劃時(shí)間較短，但對于靜態(tài)的環(huán)境要求相對較多，在建立完善的知識庫的時(shí)候往往需要花費(fèi)較長的時(shí)間，往往有著一定的不適應(yīng)性。

傳統(tǒng)人工魚群算法是當(dāng)前仿生算法性能較高的一種算法，其在進(jìn)行運(yùn)算的收斂速度以及尋優(yōu)的效果也相對教好，模糊邏輯算法需要建立在已經(jīng)搭建完成靜態(tài)環(huán)境以后，則其路徑規(guī)劃也有著較好的效果。魚群算法主要用于解決干擾對全局路徑規(guī)劃的合理性分析以及規(guī)劃的路徑過長的問題，這使得算法能夠在較為復(fù)雜的環(huán)境下能夠找到最優(yōu)的路徑規(guī)劃。通過將人工魚群算法運(yùn)用在路徑規(guī)劃上，使得不具備學(xué)習(xí)能力的移動機(jī)器人具有了對錯誤進(jìn)行不斷累積學(xué)習(xí)的能力，能夠解決干擾的問題，也能夠在復(fù)雜的環(huán)境下迅速找到最優(yōu)的路徑規(guī)劃。

2.2 多個(gè)移動機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航技術(shù)

常用的移動機(jī)器人導(dǎo)航主要是磁導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航一家多傳感器的數(shù)據(jù)融合導(dǎo)航技術(shù)。視覺導(dǎo)航的運(yùn)用對周圍環(huán)境的光強(qiáng)要求較高，我國很多研究人員主要將精力集中在多傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)上。移動機(jī)器人通過搭載在身上的各類傳感器對信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，使得移動機(jī)器人能夠朝著最終的目的地行進(jìn)，并根據(jù)實(shí)際的環(huán)境情況進(jìn)行障礙物躲避。這主要是移動機(jī)器人能夠?qū)λ杉男畔⑦M(jìn)行采集，通過上位機(jī)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，完成移動機(jī)器人的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。我國學(xué)者結(jié)合移動機(jī)器人在靜態(tài)環(huán)境的路徑規(guī)劃實(shí)際情況，提出了一種有針對性的路徑規(guī)劃設(shè)置，并研發(fā)出了適應(yīng)環(huán)境的搜索算法，雖然提高了移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃能力，但是對于路徑的優(yōu)化還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

為了獲取移動機(jī)器人在進(jìn)行路徑規(guī)劃過程中的收斂速度以及較好的實(shí)時(shí)環(huán)境控制，通過全局路徑規(guī)范的方式來實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃，再通過對局部路徑進(jìn)行獲取。全局規(guī)劃對于移動機(jī)器人信息數(shù)據(jù)獲取有著一定的幫助，能夠在模糊的環(huán)境下，為移動機(jī)器人指引出大致的行進(jìn)方向。局部路徑求救的時(shí)候往往會首先將移動機(jī)器人的全局路徑信息數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果獲取的數(shù)據(jù)滿足實(shí)際情況，將會讓移動機(jī)器人執(zhí)行路徑規(guī)劃，如果獲取的數(shù)據(jù)不滿足實(shí)際的情況，將會有限按照局域路徑所獲取的路徑規(guī)劃進(jìn)行執(zhí)行。

全局地圖是指已經(jīng)將全部的地圖信息儲存在移動機(jī)器人中，局部地圖則是根據(jù)移動機(jī)器人在行進(jìn)的過程中根據(jù)傳感器所傳回的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理而生成的地圖數(shù)據(jù)。為了使得移動機(jī)器人碰撞到地圖中已經(jīng)標(biāo)志出來的障礙物，往往會將地圖中的障礙物的規(guī)格大小進(jìn)行調(diào)整，避免移動機(jī)器人碰撞障礙物以后出現(xiàn)無法調(diào)整自身方位的現(xiàn)象。

2.3 多個(gè)移動機(jī)器人對地圖的實(shí)時(shí)構(gòu)建

在對障礙物信息進(jìn)行收集的過程中，往往會通過圖像識別技術(shù)來判斷障礙物的類型，往往不會關(guān)注障礙物的具體類型。往往只會關(guān)注該區(qū)域是否存在不能通行的情況。移動機(jī)器人將所探測到的信息傳遞給到SLAM系統(tǒng)中，這能夠直接降低未知區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜地圖信息的收集。當(dāng)前對地圖的構(gòu)建主要是在單個(gè)移動機(jī)器人視覺下的SLAM技術(shù)所完成，但這種技術(shù)并不適用于地圖面積龐大且復(fù)雜的環(huán)境。這是由于單個(gè)機(jī)器人出現(xiàn)故障以后將會無法繼續(xù)下一步地圖搭建，而且單個(gè)移動機(jī)器人的計(jì)算能力有限，無法應(yīng)對復(fù)雜的地圖環(huán)境。為了快速的在復(fù)雜的環(huán)境下采集樣本，往往會將地圖信息數(shù)據(jù)分布給到各個(gè)移動機(jī)器人，按照各自的位置進(jìn)行地圖信息采集，然后移動機(jī)器人之間相互傳輸數(shù)據(jù)，并且移動機(jī)器人之間的信息數(shù)據(jù)傳遞是雙向的。在對未知的環(huán)境進(jìn)行信息采集的時(shí)候，往往讓單個(gè)移動機(jī)器人負(fù)責(zé)各自的區(qū)域，使得移動機(jī)器人之間相互協(xié)調(diào)配合完成地圖構(gòu)建。

3 結(jié)語

當(dāng)前科技發(fā)展的越來越迅猛，只有不斷研究才能夠發(fā)現(xiàn)技術(shù)更深層的解決方案。復(fù)雜環(huán)境下的移動機(jī)器人的適應(yīng)能力對于移動機(jī)器人的發(fā)展有著很大的意義，這是由于現(xiàn)實(shí)情況的場景正在不斷的發(fā)生改變，路況將會使得路徑規(guī)劃出現(xiàn)一定的計(jì)算不準(zhǔn)確，所以還需要對移動機(jī)器人的地圖構(gòu)建以及路徑規(guī)劃進(jìn)行不斷的深入研究。