吳云鋒 諶僑

摘要：人工勢(shì)場(chǎng)法在路徑規(guī)劃期間容易因?yàn)閯?shì)場(chǎng)局部區(qū)域存在的最小點(diǎn)和限制等問(wèn)題，從而使得移動(dòng)機(jī)器人難以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的路徑運(yùn)行，為此需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)工作中復(fù)雜的障礙物擺放位置，重新設(shè)定移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方案，使得移動(dòng)機(jī)器人可以在復(fù)雜的環(huán)境下，依然可以自由移動(dòng)，為了完成這個(gè)目標(biāo)，本文將根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)存在的問(wèn)題，改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法，明確規(guī)定前進(jìn)方向向量，并使用計(jì)算機(jī)根據(jù)斥力生成條件，調(diào)整局部最小點(diǎn)以及陷阱區(qū)域，完善路徑規(guī)劃?rùn)C(jī)制，使得移動(dòng)機(jī)器人有判斷能力，可以在虛擬目標(biāo)點(diǎn)指引作用下，擺脫勢(shì)場(chǎng)局部最小點(diǎn)。改進(jìn)后的人工勢(shì)場(chǎng)法變得異常重要，本文將以as-r移動(dòng)機(jī)器人為例分析改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法自主移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃，使移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)期間，免受地面阻礙物的干擾，提升路徑規(guī)劃效率。

關(guān)鍵詞：人工勢(shì)場(chǎng)法;移動(dòng)機(jī)器人;路徑規(guī)劃;方向;向量

0 ?引言

移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃，就是移動(dòng)機(jī)器人在命令下，探測(cè)周圍環(huán)境，在接收器收到探測(cè)信號(hào)后，掌握移動(dòng)環(huán)境中障礙物的位置信息，在不斷觸碰過(guò)程中，得到一條可以安全行進(jìn)的路線。當(dāng)前路徑規(guī)劃主要分為兩個(gè)類型，一為常規(guī)規(guī)劃，二為智能規(guī)劃方法。常規(guī)規(guī)劃方法存在較多問(wèn)題，無(wú)法保證移動(dòng)機(jī)器人可以在短期內(nèi)順利避開(kāi)移動(dòng)環(huán)境的障礙物，為此當(dāng)前以智能規(guī)劃方法為主。在智能規(guī)劃方法中存在蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及遺傳算法，根據(jù)實(shí)際比對(duì)后，可以發(fā)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)會(huì)因?yàn)橐苿?dòng)環(huán)境的復(fù)雜性，影響到移動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)路線。如果無(wú)法在未知環(huán)境下根據(jù)實(shí)時(shí)性，在算法的運(yùn)行中及時(shí)掌握障礙物信息，便會(huì)使得情境方向容易遭到障礙物阻攔，而無(wú)法及時(shí)調(diào)整行進(jìn)路線，路徑規(guī)劃不需要提前根據(jù)移動(dòng)環(huán)境設(shè)計(jì)完整路徑，而是使用算法。保證移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)時(shí)根據(jù)移動(dòng)碰撞收集的信息，設(shè)計(jì)行進(jìn)路線，規(guī)劃出安全平滑的路徑。當(dāng)前需要對(duì)算法進(jìn)行調(diào)整，這樣才能在復(fù)雜的環(huán)境下，提升移動(dòng)機(jī)器人的適應(yīng)能力，避免移動(dòng)機(jī)器人期間因?yàn)榫植孔钚≈?，陷入障礙區(qū)域。從而使機(jī)器人在規(guī)劃路徑下，順利抵達(dá)目的地。

1 ?規(guī)劃路線無(wú)法達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的原因

首先，機(jī)器人行進(jìn)時(shí)，需要避開(kāi)移動(dòng)環(huán)境的所用障礙物，抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，障礙物和目標(biāo)點(diǎn)會(huì)在移動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)期間，形成斥力合力，使得移動(dòng)機(jī)器人難以在同一條直線上正常行進(jìn)，陷入局部最小點(diǎn)，并在該點(diǎn)停止或者保持震蕩狀態(tài);其次，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)在障礙物影響范圍內(nèi)移動(dòng)，機(jī)器人會(huì)因?yàn)槌嗔?chǎng)的影響，使得目標(biāo)機(jī)器人在引力的作用下，無(wú)法正常前行，從而導(dǎo)致移動(dòng)機(jī)器人在臨界點(diǎn)處停止或震蕩，從而無(wú)法達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)。最后，如果移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境中，存在多個(gè)障礙物并且以環(huán)狀形態(tài)分布，便可能讓移動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)期間，走入局部最小點(diǎn)，從而停止或保持持續(xù)震蕩狀態(tài)。

針對(duì)以上狀態(tài)，需要加大移動(dòng)機(jī)器人路徑行進(jìn)研究，了解不同障礙物，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的影響，測(cè)算影響距離，計(jì)算斥力和引力系數(shù)，在移動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)期間的極值參數(shù)，分析移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃工作效果，并根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)表現(xiàn)調(diào)整數(shù)值參數(shù)，保證移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下，可以在算法的支持下，進(jìn)行路徑規(guī)劃，順利抵達(dá)目的地。規(guī)劃工作環(huán)境時(shí)，需要考慮到算法本身存在的問(wèn)題，從移動(dòng)機(jī)器人難以在規(guī)劃路徑下達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)發(fā)生的原因中，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論哪種形式導(dǎo)致的問(wèn)題，都會(huì)因?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人陷入局部最小點(diǎn)，從而使其行動(dòng)停止或持續(xù)劇烈震蕩狀態(tài)，進(jìn)行算法過(guò)程中，需要在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持下，構(gòu)建決路徑規(guī)劃模糊決策庫(kù)，收集移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中無(wú)法順利行進(jìn)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對(duì)障礙物的聯(lián)通線加以分析，設(shè)立臨時(shí)目標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)器人需要脫離局部極小點(diǎn)的參數(shù)，使用算法設(shè)計(jì)路徑規(guī)劃，縮小搜索空間范圍，提升搜索效率。

除此之外，可以根據(jù)移動(dòng)環(huán)境，合理分析機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)，掌握算法工作表現(xiàn)，這樣可以在很大程度上，解決機(jī)器人在移動(dòng)期間，進(jìn)入局部極小范圍，從而陷入停止或是持續(xù)震蕩狀態(tài)的僵局。

本文將從當(dāng)前機(jī)器人前進(jìn)方向與障礙物位置之間的關(guān)系切入，優(yōu)化路徑規(guī)劃算法，調(diào)整機(jī)器人移動(dòng)運(yùn)行方式，防止移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)期間，因障礙物斥力的影響，進(jìn)入局部最小范圍，從而出現(xiàn)停止或保持持續(xù)震動(dòng)狀態(tài)，為了分析移動(dòng)機(jī)器人工作，需要針對(duì)運(yùn)行環(huán)境障礙物與目標(biāo)點(diǎn)格局排布，設(shè)計(jì)機(jī)器人移動(dòng)路徑，調(diào)整算法機(jī)制，通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法是否具有可行性，使機(jī)器人可以在復(fù)雜的障礙環(huán)境下，按照路徑規(guī)劃，成功抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

2 ?改變?nèi)斯?shì)場(chǎng)法

人工勢(shì)場(chǎng)方法基本原理就是在環(huán)境地圖基礎(chǔ)上，構(gòu)建虛擬立場(chǎng)，明確虛擬立場(chǎng)中的目標(biāo)點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M移動(dòng)機(jī)器人在引力場(chǎng)中受到引力后，向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)期間的移動(dòng)態(tài)勢(shì)，分析機(jī)器人撞擊障礙物后，存在的斥力場(chǎng)以及產(chǎn)生的斥力，分析移動(dòng)機(jī)器人碰撞障礙物后的移動(dòng)軌跡，明確算法的重點(diǎn)。計(jì)算引力、斥力的合力，從而優(yōu)化算法，加強(qiáng)移動(dòng)機(jī)器人對(duì)路徑規(guī)劃的控制力度。

2.1 前進(jìn)方向向量

勢(shì)場(chǎng)法計(jì)算合力過(guò)程中，需要考慮到機(jī)器人在移動(dòng)環(huán)境內(nèi)，作為障礙物對(duì)移動(dòng)機(jī)器人向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)的影響，同時(shí)需要考慮前進(jìn)方向移動(dòng)期間，周圍自立場(chǎng)對(duì)算法的干擾，計(jì)算立場(chǎng)對(duì)行進(jìn)軌道的干擾程度，并掌握移動(dòng)機(jī)器人在立場(chǎng)中的受力情況，計(jì)算合力后需要思考移動(dòng)范圍與行進(jìn)路徑之間的關(guān)系，防止機(jī)器人在行進(jìn)期間陷入局部最小點(diǎn)，從而停止或是保持持續(xù)震蕩狀態(tài)，同時(shí)需要改進(jìn)算法，明確方向向量后，需要完善移動(dòng)機(jī)器人工作機(jī)制，使機(jī)器人具備記憶能力，可以在撞擊障礙物后形成記憶效應(yīng)，從而改變移動(dòng)方向，避免機(jī)器人陷入局部極小點(diǎn)，無(wú)法正常移動(dòng)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，向量的方向直接影響到機(jī)器人運(yùn)行軌跡，使用下式計(jì)算機(jī)器人在碰到障礙物后，方向向量改變后的向量大小與方向，從而便能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析機(jī)器人行進(jìn)，因路徑不平滑出現(xiàn)的問(wèn)題，其中ρ（X，Xo）是機(jī)器人所處位置與障礙物間的歐幾里德距離，計(jì)算這部分內(nèi)容時(shí)，需要了解歐幾里德距離規(guī)律，方向向量的模數(shù)會(huì)隨著距離的變化出現(xiàn)變動(dòng)，當(dāng)距離減小時(shí)，方向向量的模數(shù)隨之增大，反之亦然，計(jì)算前進(jìn)向量過(guò)程中，目標(biāo)點(diǎn)引力與方向向量所夾的角也需要重點(diǎn)對(duì)待，精確數(shù)值精度。

|derc|=|derc|×1/ρ（X，Xo）

2.2 改進(jìn)斥力機(jī)制

分析人工勢(shì)場(chǎng)法中目標(biāo)點(diǎn)難以根據(jù)路徑規(guī)劃內(nèi)容，抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際情況后，需要分析力場(chǎng)在機(jī)器人移動(dòng)環(huán)節(jié)中對(duì)其產(chǎn)生的影響，同時(shí)需要研究機(jī)器人路徑規(guī)劃內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改變?cè)星斑M(jìn)路徑，適當(dāng)增加路徑距離，觀看機(jī)器人在立場(chǎng)中受到斥力影響后，在引力不足的情況下，是否可以根據(jù)路徑規(guī)劃內(nèi)容到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人工作表現(xiàn)，思考移動(dòng)機(jī)器人斥力條件以及限制因素，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算障礙物有效碰撞范圍，計(jì)算碰撞半徑，根據(jù)碰撞半徑的大小，計(jì)算障礙物與機(jī)器人之間的影響范圍，圖1所示為機(jī)器人障礙物攔截分析圖。

2.3 判斷阻礙障礙物

機(jī)器人行進(jìn)期間，會(huì)因?yàn)檎系K物的阻攔影響到機(jī)器人行進(jìn)軌跡，如果機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)入障礙地區(qū)，還會(huì)停止與保持震蕩狀態(tài)，從而無(wú)法達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)，所以需要研究機(jī)器人路徑規(guī)劃算法，計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)引力與活動(dòng)區(qū)間存在的力場(chǎng)，掌握力場(chǎng)機(jī)器人與障礙物之間的斥力與引力，計(jì)算合力數(shù)值，分析機(jī)器人受到合力作用后的運(yùn)行軌跡，以及是否可以順利到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

分析機(jī)器人運(yùn)行軌跡過(guò)程中，應(yīng)該考慮到運(yùn)行環(huán)節(jié)存在的障礙物，對(duì)機(jī)器人移動(dòng)的影響，并根據(jù)假設(shè)結(jié)果，設(shè)定虛擬目標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)器人在力場(chǎng)中受到的合力，逐步調(diào)整算法，改變參數(shù)，觀察機(jī)器人在不同合力作用下的移動(dòng)軌跡，防止機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中，再次出現(xiàn)停止或者持續(xù)震蕩的狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)研究后，發(fā)現(xiàn)連障礙物組Xos成員數(shù)量2為臨界點(diǎn)，如果數(shù)量大于2機(jī)器人行進(jìn)便不存在在陷阱區(qū)域的情況，一旦數(shù)量小于2，機(jī)器人便容易進(jìn)入最小數(shù)值點(diǎn)，因?yàn)檫\(yùn)行停止或保持持續(xù)震蕩狀態(tài)，無(wú)法到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。

3 ?流程設(shè)計(jì)

規(guī)劃計(jì)算機(jī)行進(jìn)路徑規(guī)劃工作時(shí)，需要重點(diǎn)圍繞地圖環(huán)境處理與算法這兩部分內(nèi)容展開(kāi)進(jìn)行論述，機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中，所處環(huán)境的實(shí)際狀況多種多樣，機(jī)器人在此過(guò)程中會(huì)因?yàn)椴灰?guī)則障礙物，影響自身行進(jìn)軌跡，計(jì)算機(jī)器人與障礙物之間的碰撞范圍，精確碰撞半徑后，計(jì)算力場(chǎng)存在的斥力與引力，從而根據(jù)不同環(huán)境下，障礙物存在格局，計(jì)算有效碰撞半徑，處理地圖環(huán)境工作，進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算機(jī)路徑行進(jìn)算法。除此之外，需要重視算法設(shè)計(jì)工作，改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法算法內(nèi)容，在初始化完成后，需要設(shè)置初始位置、目標(biāo)重點(diǎn)位置，計(jì)算障礙物影響范圍，以及障礙物碰撞半徑，明確障礙物影響范圍，設(shè)立虛擬目標(biāo)點(diǎn)，測(cè)算障礙物與機(jī)器人當(dāng)前距離，判斷數(shù)組Xos成員數(shù)量，計(jì)算虛擬目標(biāo)點(diǎn)與機(jī)器人之間的引力、斥力，確定機(jī)器人移動(dòng)是否可以達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)。

4 ?結(jié)語(yǔ)

人工勢(shì)場(chǎng)法在路徑規(guī)劃過(guò)程中存在問(wèn)題，容易進(jìn)入局部最小點(diǎn)，陷入障礙區(qū)，無(wú)法在障礙環(huán)境中順利行進(jìn)，為了解決人工勢(shì)場(chǎng)法機(jī)器人路徑規(guī)劃存在的問(wèn)題，本文引入方向向量，并以as-r移動(dòng)機(jī)器人為例，降低人工勢(shì)場(chǎng)法路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)存在的不良影響，掌握移動(dòng)環(huán)境情況，明確虛擬目標(biāo)點(diǎn)，防止機(jī)器人進(jìn)入陷阱區(qū)域。

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基金項(xiàng)目：2019年湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目“面向時(shí)間與能耗的智能制造系統(tǒng)中6R機(jī)器人軌跡規(guī)劃技術(shù)研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：19C0018）。

作者簡(jiǎn)介：吳云鋒（1979-），男，湖南長(zhǎng)沙人，講師，學(xué)士，研究方向?yàn)橹圃旒夹g(shù);諶僑（1990-），男，湖南益陽(yáng)人，講師，碩士，研究方向?yàn)橹悄苤圃臁?/p>