人工勢場法的移動機器人路徑規劃研究

李浩洋 高英杰 童東兵 林曠淼 史煜韜 任曉文

摘 要：本文針對移動機器人，利用人工勢場法，研究機器人的路徑規劃，得到移動機器人路徑規劃框架和建模方法，移動機器人路徑規劃評價模型、移動機器人路徑規劃實驗校驗及分析。

關鍵詞：人工勢場法;移動機器人;路徑規劃

0 引言

伴隨著經濟社會的不斷發展，移動機器人技術開始應用到人們日常生活中。越來越復雜的場景，對移動機器人的路徑規劃技術提出了更高的要求。由于場景地圖信息的缺失，移動機器人無法得到先驗知識，而地圖中有隨機移動的障礙物，這些對機器人的實時避障與規劃能力造成困難。關于路徑規劃中人工勢場法，其思想是抽象為引力場，目標對智能體產生的引力和障礙物對智能體產生的斥力。人工勢場法合力示意圖如圖1所示。因此，研究基于人工勢場法移動機器人的路徑規劃具有十分重要的意義。

1 移動機器人路徑規劃建模和算法研究

首先對機器人接收到的傳感器距離信息使用模糊規則進行判定，對障礙物進行簡單的分類，防止一些可能導致機器人走進死胡同的情況;接著，使用人工勢場法在處理過的地圖的基礎上進行路徑規劃，探索周圍環境，得到路徑;最后通過添加延遲時間以消除人工勢場法可能存在的路徑震蕩問題，從而實現機器人對環境的探測與高效的路徑規劃。機器人路徑規劃框架圖如圖2所示。

機器人在活動空間中的定義。機器人與目標點之間的斥力場，機器人與目標點之間的引力場，那么總的勢場為斥力場與引力場之和。

路徑與障礙物的檢測作為路徑規劃中的重要部分，不同方式會產生不同的效果。本項目使用超聲測距儀來探測障礙物，設定基于超聲測距儀的視窗，測距儀感應角15°。

2 移動機器人路徑規劃評價模型

在路徑規劃中，需要規劃出一個無碰撞的路徑。而運動的機器人按照規劃的路徑行走，可能發生兩種結果，即碰撞和不碰撞。在構建路徑規劃的評價模型的時候，其主要參數有：是否發生碰撞、總時長、轉彎角度、直行時間。

（1）是否發生碰撞。當移動機器人按照規劃好的路徑行走時，應當是不發生碰撞。如果發生碰撞，說明該路徑規劃的線路是有問題的。需要重新規劃。因此，在路徑規劃中，移動機器人是否碰撞是判斷路徑規劃的成敗。（2）總時長。當移動機器人按照規劃好的路徑，從出發到移動結束，總時長越短越好。當移動機器人移動的速度恒定，那么路徑規劃的長度越長，所需要的時間就越長，這時候需要消耗移動機器人的能源也就越多。而路徑規劃的長度短的話，移動機器人移動的距離就越短，所耗費的能源就少。因此，在路徑規劃中，移動機器人的行走的總時長是重要的性能指標。（3）轉彎角度。對于移動機器人來說，直線行走就不需要改變航向。由于障礙物的存在，移動機器人往往不是直線行走的，需要轉向。因此，需要考察所設計的路徑規劃最大的轉彎角度。轉彎角度越大，對移動機器人的性能要求就越高。因此，在路徑規劃中，移動機器人的最大轉彎角度是重要的性能指標。（4）直線時間。從上面的分析，可以看到，在移動機器人行走的距離相同的時候，直線行走越長，對移動機器人的性能要求就越低。因此，在路徑規劃中，移動機器人的直線行走距離是重要的性能指標。

3 移動機器人路徑規劃實驗分析

移動機器人的路徑規劃可看成搜索問題。在實驗過程中，可以按照靜態障礙物和動態障礙物來進行仿真。在路徑搜索過程中，按照路徑規劃的目標對移動機器人產生的引力和障礙物對移動機器人產生的斥力來進行。在搜索過程中，為了避開障礙物，需要不斷修改移動的方向。這個搜索過程，對計算能力要求高。當搜索出一條路徑后，還需要與現有算法進行對比，是否為最優路徑。以此來檢驗所設計的算法有效性和可靠性。具體移動機器人路徑規劃實驗流程圖如圖3所示。

4 結束語

本文介紹人工勢場法的原理，并針對移動機器人，研究機器人的路徑規劃，獲得移動機器人路徑規劃框架和建模方法、路徑規劃評價模型、路徑規劃實驗校驗及分析。這些研究將為今后的研究拓寬思路。

參考文獻：

[1]楊洋，童東兵，陳巧玉.面向未知地圖的六足機器人路徑規劃算法[J].計算機應用，2018，38（06）：1809-1813.

[2]石為人，黃興華，周偉.基于改進人工勢場法的移動機器人路徑規劃[J].計算機應用，2010（08）：37-39.

基金項目：上海大學生創新訓練計劃資助項目（cs1902009; cs2002005）;國家大學生創新訓練計劃資助項目（201910856010）

作者簡介：李浩洋（1997-），女，甘肅天水人，本科，研究方向：自動化。