移动机器人路径规划实现

近年來，移動機(jī)器人的研究受到了人們的高度重視，人們對于機(jī)器人的要求不再局限于簡單的移動，而是希望機(jī)器人能夠根據(jù)周圍環(huán)境變化采取對應(yīng)措施，做到自主移動的能力。因此，路徑規(guī)劃作為移動機(jī)器人的一個(gè)重要因素就顯得尤為重要。

路徑規(guī)劃是指移動機(jī)器人能夠規(guī)劃出一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的路徑。大致包括信息獲取-感知-通信-決策-控制-執(zhí)行這幾點(diǎn)。

移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)又可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃：

全局路徑規(guī)劃是指在已知環(huán)境中為機(jī)器人規(guī)劃一條路線，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。

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。

而D*算法則是一種動態(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，隨著機(jī)器人不斷探索，路徑也會時(shí)刻調(diào)整。

從目前的研究成果來看，移動機(jī)器人路徑規(guī)劃已取得了豐碩的成果，但在全局與局部路徑規(guī)劃方法中仍有諸多不足之處，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。是一種動態(tài)啟發(fā)式路徑搜索算法。該算法的最大優(yōu)點(diǎn)在于不需要預(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，隨著機(jī)器人不斷探索，路徑也會時(shí)刻調(diào)整。