基于蟻群算法和遺傳算法融合的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題研究

湖北工業(yè)大學(xué) 劉慶元

基于蟻群算法和遺傳算法融合的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題研究

湖北工業(yè)大學(xué) 劉慶元

移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃問(wèn)題一直都是機(jī)器人研究中比較熱門(mén)的話(huà)題，也是非常關(guān)鍵的技術(shù)，但是，比較傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃算法都存在自己的缺陷，所以說(shuō)，尋找一種最佳的算法是機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，蟻群算法是最近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種模擬生物的進(jìn)化算法，這個(gè)算法在解決很多比較復(fù)雜的問(wèn)題上表現(xiàn)出了非常好的性能。本文在分析了當(dāng)前的各種路徑規(guī)劃算法的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，選擇了蟻群算法來(lái)解決移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃問(wèn)題。

移動(dòng)機(jī)器人；路徑規(guī)劃

移動(dòng)機(jī)器人是指在室內(nèi)或道路上不需要人工干預(yù)，能夠自主地完成行駛工作的車(chē)輛，它可以分為室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人以及室外移動(dòng)機(jī)器人，結(jié)合了智能控制、圖像處理、人工智能、信息處理等專(zhuān)業(yè)技術(shù)，跨越了多個(gè)學(xué)科，比如計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、機(jī)械以及電子等學(xué)科，智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究涉及到了多個(gè)學(xué)科以及多個(gè)領(lǐng)域之間的知識(shí)，其中，具體包括距離測(cè)定技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、定位系統(tǒng)高性能傳感器、人工智能等等。在這些技術(shù)和知識(shí)當(dāng)中，路徑規(guī)劃是機(jī)器人導(dǎo)航中最重要的環(huán)節(jié)。路徑規(guī)劃就是在具有障礙物的環(huán)境中根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)，找到從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的沒(méi)有碰撞的路線(xiàn)，評(píng)價(jià)規(guī)劃路徑的好壞與否的直接影響是機(jī)器人是不是能夠準(zhǔn)確并且安全的到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)[4]。

蟻群算法是這些年發(fā)展的比較新的生物進(jìn)化算法，蟻群算法具有分布式計(jì)算，分布式個(gè)體之間間接通信，對(duì)中心控制沒(méi)有要求等特點(diǎn)，具有非常好的健壯性和很強(qiáng)的自適應(yīng)性，根據(jù)自身信息素的濃度來(lái)不斷更新，最終在最優(yōu)的路徑上收斂，蟻群算法還比較容易和其他算法進(jìn)行結(jié)合，蟻群算法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于求解優(yōu)化問(wèn)題上，它是基于螞蟻群體啟發(fā)行為的一種隨機(jī)搜索優(yōu)化尋優(yōu)算法，算法本身簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，在處理的過(guò)程中對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求也不是很高，所有將蟻群算法應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃將會(huì)存在很大的潛力。

目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下9個(gè)方面：

（1）工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。

（2）機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開(kāi)放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線(xiàn)編程的可操作性之外，離線(xiàn)編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。

（3）多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線(xiàn)性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問(wèn)題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。

（4）機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。

（5）機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)：機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。

（6）虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。

（7）多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。

（8）微型和微小機(jī)器人技術(shù)（micro/miniaturerobotics）：這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。

（9）軟機(jī)器人技術(shù)（softrobotics）：主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂(lè)場(chǎng)合。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的，機(jī)器人對(duì)人是友好的。

[1]WEISS G.Multiagent systems:a modern approach to distributed modern approach to artificial intelligence[M].Cambridge,Massachusetts：MIT Press，1999：121-161.

[2]蔡自興，徐光祐.人工智能及其應(yīng)用:研究生用書(shū)[M].3 版.北京：清華大學(xué)出版社，2004：124-198.

[3]譚民,王碩,曹志強(qiáng).多機(jī)器人系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：6-81.

[4]薄喜柱,洪炳熔.動(dòng)態(tài)環(huán)境下多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃的一種新方法[J].機(jī)器人，2001,23（5）：407-410.

2017-09-10）