智能輪椅路徑規(guī)劃的優(yōu)化研究

李冬梅

摘?要：智能輪椅的不斷發(fā)展為我國的老年人與殘障人士提供了福利，輪椅之所以稱之為智能，因為其不需要傳統(tǒng)輪椅的人力推動，能夠借助電力系統(tǒng)進行輪椅活動，且能夠根據(jù)一定的技術(shù)對路徑進行規(guī)劃?，F(xiàn)階段的路徑規(guī)劃依然是智能輪椅中的重要問題，為提高老年人與殘障人士對智能輪椅的使用感，研究人員要對智能輪椅的路徑規(guī)劃方案進行改造。文章就智能輪椅路徑規(guī)劃問題進行了相關(guān)的論述，以為行業(yè)研究者提供參考。

關(guān)鍵詞：智能輪椅;路徑規(guī)劃;路徑優(yōu)化

智能輪椅的出現(xiàn)是基于需求而產(chǎn)生的，當下社會老齡化問題嚴重，智能輪椅是提高老人生活質(zhì)量的主要手段，同樣對于殘障人士來講，智能輪椅能夠幫助其進行一定范圍的自由活動。路徑規(guī)劃是智能輪椅的一項重要工作，路徑規(guī)劃能夠使輪椅在具有障礙物的環(huán)境中順利的規(guī)避障礙物，進而尋找無碰撞路徑。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，為保障使用者的使用安全性，智能輪椅的路徑規(guī)劃也在不斷的進行優(yōu)化。

一、智能輪椅路徑規(guī)劃問題

路徑規(guī)劃問題的出現(xiàn)是伴隨智能輪椅的出現(xiàn)為產(chǎn)生的，伴隨智能輪椅的不斷完善，路徑規(guī)劃問題成為國民關(guān)注智能輪椅的重點。伴隨當下科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化技術(shù)水平在逐漸提高，在硬件設(shè)備水平顯著提高后，輪椅的路徑規(guī)劃問題得到了空前的重視。智能輪椅作為科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，其構(gòu)成是由多個硬件系統(tǒng)組成的，當下智能輪椅市場較為火爆，因此各種質(zhì)量及品牌的智能輪椅層出不窮，也就在一定程度上導(dǎo)致了輪椅安全性事故的發(fā)生。

路徑規(guī)劃是對輪椅行進路線安全性的保障，與傳統(tǒng)輪椅相比，傳統(tǒng)輪椅主要是通過人為的方向掌控進行的障礙物規(guī)避，而智能輪椅較大的實現(xiàn)了輪椅的運動自主性，以此提高了使用的生活質(zhì)量。但智能輪椅不能夠根據(jù)人為意識進行路線的規(guī)劃，需要根據(jù)智能輪椅內(nèi)部的路線規(guī)劃系統(tǒng)完成對障礙物的規(guī)避。在進行相關(guān)的路徑規(guī)劃之后，智能輪椅會按照制定的路徑進行運動，進而保障智能輪椅運動的安全性。

專業(yè)的智能輪椅在造價方便較為昂貴，其結(jié)構(gòu)設(shè)計與設(shè)備構(gòu)成具有一定的科學(xué)性，因此在智能輪椅的路徑規(guī)劃方面。在對智能輪椅路徑規(guī)劃的過程當中，技術(shù)人員能夠根據(jù)受眾的使用反饋對路徑問題進行及時的處理，另外就路徑問題麗江，一般智能輪椅會采用超聲傳感器對路徑問題進行規(guī)劃。超聲傳感器能夠發(fā)出超聲波對障礙物進行有效的識別，以幫助患者正確的使用智能輪椅。智能輪椅作為老年人與殘障人士的主要出行及運動方式，對其來講具有重要的作用。當下智能化輪椅往往為一體化智能設(shè)備，在后期對路徑問題進行二次優(yōu)化基本上是不能實現(xiàn)的，基于此相關(guān)的技術(shù)人員要加大對路徑規(guī)劃的優(yōu)化。

二、RRT路徑規(guī)劃算法

RRT算法是路徑規(guī)劃常用的算法，這一算法的原理是快速探索隨機樹，能夠通過隨機樹的對空間內(nèi)的障礙物進行有效的計算，在多維及高維空間的使用中較多。RRT算法隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步也在進行不斷的創(chuàng)新，改進后的這一算法更加有利于路徑的規(guī)劃使用。改進后的RRT算法不在進行單一的隨機搜索計算，而是在基于地圖的基礎(chǔ)上對一定區(qū)域內(nèi)的空間進行搜索計算，地圖的有效的融合減少了計算的盲目性，加強了路徑規(guī)劃的準確性。在對智能輪椅進行路徑規(guī)劃的優(yōu)化過程中，蜜糖擴散思想被應(yīng)用到地圖數(shù)據(jù)的處理中，蜜糖擴散法能夠結(jié)合快速拓展隨機樹算法進行更加精確性的路徑規(guī)劃，合理的考量路徑范圍內(nèi)的危險性因素，進而進行隨機措施的規(guī)劃，保障輪椅前進路線的穩(wěn)定性，避免輪椅的不良事件。

蜜糖擴散法。蜜糖擴散法是一種模仿氣味傳播的思想方法，指從源頭不斷向四周輻射的算法。假設(shè)有一種氣味很重的食物被儲存在一個特定的地方，食物的氣味像一束光一樣散開，距離越遠，味道越淡，同樣距離的食物濃度幾乎是一樣的。

滾動窗口算法。滾動窗口的基本思想是根據(jù)智能輪椅實時檢測到的局部信息，通過滾動進行在線規(guī)劃。在軋制的每一步中，根據(jù)檢測到的局部信息，采用啟發(fā)式方法生成優(yōu)化子目標，在當前軋制窗口中進行局部路徑規(guī)劃，實現(xiàn)當前策略。隨著滾動窗口的推進，不斷獲得新的環(huán)境信息，實現(xiàn)滾動優(yōu)化與反饋的結(jié)合。

三、仿真實驗研究

此次的仿真研究以智能輪椅為實驗平臺，在VC++中進行相關(guān)仿真實驗，以研究智能輪椅路徑規(guī)劃的相關(guān)事宜。

在使用RRT算法的過程當中，由于RRT算法經(jīng)過相關(guān)的改良，因此要對RRT算法進行兩次不同的實驗。在RRT算法實驗后可知，在含有障礙物的相同環(huán)境中，兩種RRT算法會規(guī)劃出兩種不同的路徑，對兩種規(guī)劃路徑相比，改進后的RRT算法能夠有效的規(guī)劃出最佳路線，且路線屬于空間范圍內(nèi)的最短路線，具有較高的使用價值。

構(gòu)建RRT算法基于障礙物環(huán)境，規(guī)劃了包含多個障礙物的智能輪椅的路徑。在仿真實驗中，在所有的搜索空間中建立搜索樹，并將搜索樹中的直接連接部分作為最終的規(guī)劃路徑。從操作和實驗結(jié)果可以看出，RRT搜索樹作為一種隨機均勻分布的算法，可以應(yīng)用到已經(jīng)掌握的地圖環(huán)境中，進行路徑規(guī)劃。如果是在未知的環(huán)境中，這種智能輪椅路徑規(guī)劃方法就無法得到有效的應(yīng)用。因此，為了起到一定的證明作用，可以基于RRT路徑規(guī)劃算法搜索未知狀態(tài)空間的生成。在已知障礙物環(huán)境下，利用RRT算法規(guī)劃路徑，將搜索樹的連通部分作為最終的路徑規(guī)劃圖。

將改進的RRT算法應(yīng)用于未知環(huán)境下的路徑規(guī)劃。由于前向模式是滾動檢測規(guī)劃，可以用于未知環(huán)境下移動機器人的路徑規(guī)劃過程。此時，利用蜂蜜擴散法獲得靈感，清除滾動窗口中的隨機數(shù)。這種規(guī)劃方法可以有效地減少節(jié)點的數(shù)量，提高搜索效率和質(zhì)量，縮短尋找滿足性能要求的最短路徑所需的時間。

四、結(jié)語

智能輪椅在當下的社會中使用范圍較廣，伴隨當下科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來智能輪椅路徑規(guī)劃問題也在不斷優(yōu)化。智能輪椅路徑規(guī)劃的優(yōu)化能夠保障智能輪椅行進路線的安全性，有效的規(guī)避空間范圍內(nèi)的障礙物，實現(xiàn)輪椅的智能化。通過對RRT算法的仿真計算可知，改進后的RRT算法能夠在空間范圍內(nèi)找尋最優(yōu)路線，實現(xiàn)輪椅的實施路徑規(guī)劃。

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項目：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究項目（ZY201819）