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  • 机器人路径规划技术解读

     

    移動(dòng)這一簡單動(dòng)作,對于人類來說相當(dāng)容易,但對機(jī)器人而言就變得極為復(fù)雜,說到機(jī)器人移動(dòng)就不得不提到路徑規(guī)劃,路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航最基本的環(huán)節(jié),指的是機(jī)器人在有障礙物的工作環(huán)境中,如何找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)路徑,使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中能安全、無碰撞地繞過所有障礙物。這不同于用動(dòng)態(tài)規(guī)劃等方法求得的最短路徑,而是指移動(dòng)機(jī)器人能對靜態(tài)及動(dòng)態(tài)環(huán)境作出綜合性判斷,進(jìn)行智能決策。

    機(jī)器人路徑規(guī)劃圖

    總的來說,路徑規(guī)劃主要涉及這3大問題:①明確起點(diǎn)位置及終點(diǎn);②規(guī)避障礙物;③盡可能的做到路徑上的優(yōu)化。

    機(jī)器人路徑規(guī)劃有全局與局部規(guī)劃之分

    根據(jù)對環(huán)境信息的掌握程度不同,機(jī)器人路徑規(guī)劃可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。

    思嵐機(jī)器人路徑規(guī)劃圖

    全局路徑規(guī)劃是在已知的環(huán)境中,給機(jī)器人規(guī)劃一條路徑,路徑規(guī)劃的精度取決于環(huán)境獲取的準(zhǔn)確度,全局路徑規(guī)劃可以找到最優(yōu)解,但是需要預(yù)先知道環(huán)境的準(zhǔn)確信息,當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化,如出現(xiàn)未知障礙物時(shí),該方法就無能為力了。它是一種事前規(guī)劃,因此對機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力要求不高,雖然規(guī)劃結(jié)果是全局的、較優(yōu)的,但是對環(huán)境模型的錯(cuò)誤及噪聲魯棒性差。

    而局部路徑規(guī)劃則環(huán)境信息完全未知或有部分可知,側(cè)重于考慮機(jī)器人當(dāng)前的局部環(huán)境信息,讓機(jī)器人具有良好的避障能力,通過傳感器對機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測,以獲取障礙物的位置和幾何性質(zhì)等信息,這種規(guī)劃需要搜集環(huán)境數(shù)據(jù),并且對該環(huán)境模型的動(dòng)態(tài)更新能夠隨時(shí)進(jìn)行校正,局部規(guī)劃方法將對環(huán)境的建模與搜索融為一體,要求機(jī)器人系統(tǒng)具有高速的信息處理能力和計(jì)算能力,對環(huán)境誤差和噪聲有較高的魯棒性,能對規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和校正,但是由于缺乏全局環(huán)境信息,所以規(guī)劃結(jié)果有可能不是最優(yōu)的,甚至可能找不到正確路徑或完整路徑。 

    全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃并沒有本質(zhì)上的區(qū)別,很多適用于全局路徑規(guī)劃的方法經(jīng)過改進(jìn)也可以用于局部路徑規(guī)劃,而適用于局部路徑規(guī)劃的方法同樣經(jīng)過改進(jìn)后也可適用于全局路徑規(guī)劃。兩者協(xié)同工作,機(jī)器人可更好的規(guī)劃從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的行走路徑。

    A*與D*機(jī)器人路徑規(guī)劃算法介紹

    在實(shí)際情況中,機(jī)器人路徑規(guī)劃除了考慮已知環(huán)境和未知環(huán)境地圖,還要考慮到動(dòng)態(tài)和靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃。

    A*(A-Star)算法是一種靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路徑最有效的直接搜索方法,也是解決許多搜索問題的有效算法。算法中的距離估算值與實(shí)際值越接近,最終搜索速度越快。但是,A*算法同樣也可用于動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃當(dāng)中,只是當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí),需要重新規(guī)劃路線。

    機(jī)器人路徑規(guī)劃之A算法

    而D*算法則是一種動(dòng)態(tài)啟發(fā)式路徑搜索算法,它事先對環(huán)境位置,讓機(jī)器人在陌生環(huán)境中行動(dòng)自如,在瞬息萬變的環(huán)境中游刃有余。D*算法的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)先探明地圖,機(jī)器人可以和人一樣,即使在未知環(huán)境中,也可以展開行動(dòng),隨著機(jī)器人不斷探索,路徑也會時(shí)刻調(diào)整。

    綜上所述,移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)已經(jīng)取得了可觀的成績,但是,在其全局與局部路徑規(guī)劃方法中仍然存在諸多不足之處,為此,國內(nèi)已有針對這類算法的改進(jìn),例如思嵐科技的SLAMWARE模塊化自主定位導(dǎo)航,SLAMWARE內(nèi)采用改良的D*算法進(jìn)行路徑規(guī)劃,這也是美國火星探測器采用的核心尋路算法。是一種動(dòng)態(tài)啟發(fā)式路徑搜索算法,它可以讓機(jī)器人在未知環(huán)境中行走自如,在環(huán)境多變的情況下游刃有余。

     

     

    關(guān)鍵字:机器人路径规划

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