淺談基于計(jì)算機(jī)智能算法的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李雋鈺

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機(jī)電工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

隨著工業(yè)的發(fā)展，能代替人類進(jìn)行危險(xiǎn)性或重復(fù)性勞動(dòng)的機(jī)器人不斷面世，相關(guān)技術(shù)日趨成熟。但只能在固定位置工作的機(jī)器人已經(jīng)不能滿足工業(yè)任務(wù)的要求，可移動(dòng)的機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人的核心技術(shù)，該系統(tǒng)可以為機(jī)器人確定方位、規(guī)劃路線，幫助機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下準(zhǔn)確高效地完成各種操作。

1 機(jī)器人導(dǎo)航的方式

智能移動(dòng)機(jī)器人是具有自行組織、自行規(guī)劃、自行運(yùn)轉(zhuǎn)，可以在復(fù)雜環(huán)境下工作，融合了多種先進(jìn)技術(shù)的智能機(jī)器人。其中，機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)器人導(dǎo)航常用的方式有光反射導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、聲音導(dǎo)航以及味覺導(dǎo)航。光反射導(dǎo)航是利用在指定路徑上鋪設(shè)的光反射條讓機(jī)器人獲取到路徑信息。電磁導(dǎo)航則是預(yù)先在指定路徑上鋪設(shè)好帶有不同頻率電流的傳導(dǎo)光纜，機(jī)器人利用感應(yīng)電圈識別電流進(jìn)而判斷移動(dòng)的方向。視覺導(dǎo)航系統(tǒng)是通過安裝在機(jī)器人身上的車載攝像頭來獲取局部的視覺信息，之后運(yùn)用傳感器的傳輸和計(jì)算機(jī)設(shè)備的圖像識別完成對路徑的規(guī)劃。聲音導(dǎo)航是采用MUSIC法、時(shí)間-空間梯度法和最大似然法來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對位置信息的獲取，當(dāng)機(jī)器人處于光線不良好的環(huán)境中時(shí)，可以采用這一導(dǎo)航方式。而味覺導(dǎo)航是讓機(jī)器人根據(jù)氣味濃度和氣流方向來決定自身運(yùn)動(dòng)的方向，在一些需要搜尋污染源或者化學(xué)藥品泄漏的場合，運(yùn)用這種導(dǎo)航方式的機(jī)器人可以發(fā)揮更好的作用。

2 機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的組成及相關(guān)技術(shù)

2.1 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)是用來確定機(jī)器人在當(dāng)前環(huán)境中所處位置的系統(tǒng)，是移動(dòng)機(jī)器人能辨明路徑的前提。定位技術(shù)一般分為絕對定位和相對定位。但由于存在誤差累積，通常將相對定位與絕對定位相結(jié)合來提高定位精度。絕對定位通常使用的技術(shù)有GPS、路標(biāo)定位和地圖匹配技術(shù)。GPS是利用空間衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)定位的技術(shù)，路標(biāo)定位通過能被機(jī)器人識別的特殊物體進(jìn)行定位，而地圖定位則是基于已知的地圖，通過機(jī)器人獲取信息與地圖信息對比來確定位置。

2.2 路徑規(guī)劃系統(tǒng)

機(jī)器人在確定了自身位置后需要結(jié)合環(huán)境信息進(jìn)行路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃按照掌握的環(huán)境信息的多少可以分為環(huán)境信息完全已知的離線路徑規(guī)劃和環(huán)境信息部分已知或者完全未知的在線局部路徑規(guī)劃。

離線路徑規(guī)劃常用的技術(shù)有可視圖法和柵格法?？梢晥D法中的可視圖是用弧連接節(jié)點(diǎn)組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。柵格法顧名思義即是將環(huán)境轉(zhuǎn)化成一系列網(wǎng)格單元，通過傳感器對環(huán)境信息的采樣，確定柵格內(nèi)是否存在障礙物。柵格法的環(huán)境分辨率、抗干擾能力和決策速度主要受到柵格大小的影響。

在線局部路徑規(guī)劃技術(shù)主要有人工勢場法、遺傳算法、模糊邏輯算法等。人工勢場法是在環(huán)境中建立一種虛擬力，靠近障礙物會(huì)有斥力，靠近目標(biāo)點(diǎn)會(huì)有引力，通過合力和加速度確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑。遺傳算法是借鑒生物進(jìn)化的思想，讓算法能夠自行繁殖、交叉和變異，在演化中求出最優(yōu)解。模糊邏輯算法是根據(jù)規(guī)劃好的信息表來做出相應(yīng)的動(dòng)作，完成局部路徑的規(guī)劃。

2.3 傳感器系統(tǒng)

單個(gè)的傳感器難以滿足機(jī)器人對于環(huán)境信息的獲取，不足以準(zhǔn)確可靠地反應(yīng)外界環(huán)境。采用多個(gè)傳感器則可以更快速地分析現(xiàn)場環(huán)境，更全面地獲取環(huán)境信息，而且其中一個(gè)傳感器出問題時(shí)仍能保障系統(tǒng)正常運(yùn)行，容錯(cuò)性好。多傳感器融合技術(shù)是為了解決多個(gè)傳感器協(xié)調(diào)合作的問題，從而保障機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，常用的技術(shù)方法有貝葉斯估計(jì)法、加權(quán)平均法、模糊邏輯法等。

3 機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)改進(jìn)方向

3.1 圖像獲取處理能力的提高

機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)在如圖像獲取范圍的大小、環(huán)境信息獲取的準(zhǔn)確度以及圖像處理快慢等圖像處理方面的能力都有待提高。隨著傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)對于復(fù)雜環(huán)境信息的獲取和處理也將隨之不斷發(fā)展。

3.2 實(shí)時(shí)反饋速度的提升

機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋決定了機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的效率。快速而高效的的反饋能更有效地幫助機(jī)器人建立正確的路徑規(guī)劃，同時(shí)在具有完善的圖像處理能力作保障的前提下，反饋速度快的機(jī)器人也可以擔(dān)任更多樣化的工作，完成更復(fù)雜的任務(wù)。

3.3 分布結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

越來越多的應(yīng)用場合對機(jī)器人的體型、自重和負(fù)載能力提出新的要求，這就需要對機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。采用分布式的結(jié)構(gòu)可以通過網(wǎng)絡(luò)將決策操作分解到機(jī)器人本身的計(jì)算機(jī)內(nèi)，機(jī)器人再將傳感器得到的信息傳到遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，可以極大地減小機(jī)器人的體積和自重，讓機(jī)器人能夠適應(yīng)更多不同的環(huán)境。

4 基于計(jì)算機(jī)智能算法的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中智能算法的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于機(jī)器人的路徑規(guī)劃模塊，即在未知環(huán)境下的自主導(dǎo)航算法的研究。以下以模糊邏輯算法作為控制算法，探討機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

4.1 模糊知識庫的建立

模糊邏輯算法需要有基本的知識庫，知識庫包括資料庫和規(guī)則庫。資料庫主要提供每種語言變量所需要的定義，如輸入輸出變量的模糊離散化、隸屬函數(shù)的論域大小等，同時(shí)結(jié)合模糊關(guān)系共同構(gòu)成模糊運(yùn)算和解模糊化依據(jù)的法則。規(guī)則庫的建立是進(jìn)行模糊推理，輸入輸出模糊化的基礎(chǔ)。規(guī)則庫內(nèi)有整個(gè)模糊算法系統(tǒng)的思考法則，它依靠規(guī)則庫內(nèi)的控制規(guī)則，將機(jī)器人在導(dǎo)航過程中可能發(fā)生的各類情況依照IF-THEN形式排列。規(guī)則庫設(shè)計(jì)的好壞影響整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。規(guī)則庫的產(chǎn)生方式既可以通過直接將專家的操作技巧和經(jīng)驗(yàn)作為模糊算法的規(guī)則；也可以根據(jù)在不同情況下輸入輸出的反應(yīng)，對歸納控制對象的行為進(jìn)行規(guī)則庫的設(shè)計(jì)；還可以令導(dǎo)航系統(tǒng)的該模塊自身進(jìn)行學(xué)習(xí)和修正。

4.2 模糊推理規(guī)則制定

模糊推理是模糊算法的核心，通過模擬人類思考判斷的方式，依據(jù)規(guī)則庫中的模糊控制規(guī)則，以并行的方式對模糊變量做模糊運(yùn)算，以此得到相應(yīng)的輸出變量。初始狀態(tài)下的輸入變量是一個(gè)準(zhǔn)確值，模糊處理的步驟一般是先根據(jù)已知的輸入值計(jì)算各條件下的隸屬函數(shù)值，求得隸屬函數(shù)的最大值或者最小值。然后對后一部分的輸出模糊集合取邏輯值得出法則結(jié)合度。最后根據(jù)各法則的推理結(jié)果和整個(gè)規(guī)則的模糊邏輯計(jì)算出整體的推理結(jié)果。這種推理方法被稱為minminmax法。

4.3 輸入輸出值模糊化及解模糊化

機(jī)器人數(shù)據(jù)的模糊化是將輸入變量以尺度變換的方法變換到各自的論域中。數(shù)據(jù)模糊化的具體方式是將測得的變量映射到模糊空間上，建立模糊語言。在選擇能夠決定語言變量的隸屬函數(shù)時(shí)還需注意：一方面語言域中的元素對應(yīng)隸屬值不能太低，另一方面隸屬函數(shù)的重疊度要適當(dāng)。同時(shí)如果控制系統(tǒng)對精度要求較高，則應(yīng)當(dāng)選擇斜率較大的隸屬函數(shù)。機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的輸入包括機(jī)器人與障礙物之間的距離、機(jī)器人當(dāng)前的速度。機(jī)器人與障礙物之間的距離通過測距傳感器測得，根據(jù)模糊規(guī)則將距離定位近、中、遠(yuǎn)三類模糊語言。

4.4 模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模糊控制器作為一種模糊語言系統(tǒng)，擁有良好的人機(jī)互動(dòng)性，是一種有較強(qiáng)適應(yīng)性和容錯(cuò)性的非線性控制器。模糊控制器有距離和速度兩個(gè)輸入變量，有轉(zhuǎn)向角和加速度兩個(gè)輸出變量。根據(jù)模糊邏輯算法的組成框架，模糊控制器可以設(shè)計(jì)成如圖所示結(jié)構(gòu)。

圖1 模糊控制器結(jié)構(gòu)

模糊控制器依靠模糊化模塊將輸入變量轉(zhuǎn)換為模糊變量，通過對輸入量進(jìn)行尺度變換，將變量變換到對應(yīng)的論域中。知識庫模塊包括語言變量的隸屬度函數(shù)、模糊空間的分級數(shù)、尺度變換因子以及使用模糊語言表示的一系列控制規(guī)則。模糊推理基于模糊邏輯算法的規(guī)則和蘊(yùn)含關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，完成路線規(guī)劃功能。最后利用解模糊化模塊反饋清晰的數(shù)值，得出機(jī)器人的轉(zhuǎn)向角以及加速度，完成相應(yīng)動(dòng)作。

5 結(jié)語

移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)分支，以其高效性、高精度、智能化等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于許多領(lǐng)域。基于計(jì)算機(jī)智能算法的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)能夠更快速的獲取和處理環(huán)境信息，給移動(dòng)機(jī)器人提供更好的路徑規(guī)劃。