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工业机器人作业路径规划与优化研究引言工业机器人在现代制造业中扮演着重要角色，它们能够高效地完成各种生产、组装和搬运任务。
其中，作业路径规划与优化是工业机器人领域中一个关键的研究方向。
该任务旨在解决工业机器人在执行任务时需要找到最佳路径的问题，以实现高效的生产和资源利用。
本文将介绍工业机器人作业路径规划与优化的研究现状，并探讨其在实际应用中的挑战和前景。
1. 工业机器人作业路径规划概述工业机器人作业路径规划是指在给定任务和约束条件下，确定机器人移动路径的过程。
该过程通常需要考虑到多个因素，如机器人的动力学特性、工作环境的约束以及任务的要求等。
在现实应用中，往往需要在保证机器人安全性和任务完成性的前提下，找到一条最短路径或最优路径，以实现高效的生产。
2. 工业机器人作业路径规划方法在工业机器人作业路径规划中，存在许多不同的方法和算法。
以下是其中几种常见的方法：2.1 离线路径规划离线路径规划是指在任务执行前，通过计算机仿真和优化算法确定机器人的路径。
这种方法的优点是能够预先进行路径规划和优化，从而提高机器人作业的效率。
常用的离线路径规划算法包括A*算法、遗传算法和模拟退火算法等。
2.2 在线路径规划在线路径规划是指机器人在执行任务时实时计算最佳路径。
这种方法的优点是可以根据工作环境的变化和机器人的实时反馈进行路径调整，以适应实际情况。
常用的在线路径规划算法包括RRT（Rapidly-exploring Random Trees）和PRM （Probabilistic Roadmap）等。
3. 工业机器人作业路径优化除了路径规划，路径优化也是工业机器人作业中的关键问题之一。
在路径优化中，目标是通过调整机器人的路径，使其在执行任务时减少能源消耗、提高生产效率或降低成本。
以下是几种常见的路径优化方法：3.1 机器人姿态优化机器人姿态优化是指通过调整机器人的朝向和位置来改变其路径。
这种优化方法可以减少机器人在移动过程中的能源消耗和时间开销，从而提高其作业效率。
机器人路径规划技术研究人工智能技术的快速发展，推动了机器人技术的发展。
机器人的出现，不仅可以替代人力完成一些高度重复、危险性高的工作，还可以提高生产效率和质量。
机器人执行任务所需的路径规划技术，是机器人工作的基础之一。
本文将详细探讨机器人路径规划技术的研究现状和未来发展趋势。
一、概述路径规划技术是机器人实现自主导航、执行需要的任务的重要技术之一。
机器人路径规划是指，在给定的环境中，根据机器人移动的特定要求，规划机器人从起点到终点的最短、最优路径。
路径规划涉及到环境地图、传感器信息、机器人控制等多方面的知识。
机器人路径规划技术是一个复杂的系统工程，因为在选择路径时，需要考虑到机器人的动力学模型以及环境地图的因素，例如障碍物、道路条件等。
同时，路径规划还需要满足安全性和效率性等多种要求。
因此，机器人路径规划技术需要多学科的知识、交叉融合的技术和系统工程方案。
二、机器人路径规划算法在机器人路径规划技术中，算法选择是非常重要的。
目前，机器人路径规划算法一般被分为基于图论、基于搜索算法和基于局部优化算法三种类型。
基于图论的算法是指将可行路径看成一个图，并在图上寻找最短的路径。
其中，Dijkstra 算法是最常见的基于图论的算法。
它可以计算起点到任意节点的最短路程。
A*算法是基于Dijkstra算法的一种启发式搜索算法，在探索时利用了启发式函数来提高搜索效率和准确性。
一旦发现了终点，A*算法会停止搜索，因此它比普通Dijkstra算法更快。
基于搜索算法的算法是指搜索函数沿着机器人可能的路径进行搜索。
其中最典型的搜索算法是广度优先搜索、深度优先搜索和 A*算法。
广度优先搜索是一种适用于小图的搜索方法，但它需要大量的内存。
深度优先搜索是一种适用于大图的搜索方法，但缺陷是可能会陷入死循环。
而遗传算法则是一种强大的机器人路径规划算法，它可以优化适应度函数，使机器人更快地寻找最短路径。
基于局部优化算法的算法是指采用拓扑和几何优化方法，设置规则来避免障碍物。
《移动机器人路径规划算法研究》篇一一、引言在科技飞速发展的今天，移动机器人在众多领域内已经展现出巨大的应用潜力，例如无人驾驶车辆、自动扫地机器人、智能仓储机器人等。
路径规划作为移动机器人领域中的关键技术之一，对于提高机器人的工作效率和性能具有重要作用。
本文将深入探讨移动机器人路径规划算法的相关内容，包括相关概念、基本方法以及近年来的研究成果和未来发展趋势。
二、移动机器人路径规划的基本概念和方法1. 基本概念移动机器人路径规划是指在具有障碍物的环境中，为机器人寻找一条从起点到终点的最优路径。
这一过程需要考虑到多种因素，如路径长度、安全性、机器人的运动能力等。
路径规划算法的优劣直接影响到机器人的工作效率和性能。
2. 基本方法移动机器人路径规划的方法主要包括全局路径规划和局部路径规划两种。
全局路径规划是在已知环境中为机器人规划出一条从起点到终点的全局最优路径。
而局部路径规划则是在机器人实际运行过程中，根据实时感知的环境信息，对局部区域进行路径规划，以应对突发情况。
三、常见的移动机器人路径规划算法1. 传统算法传统的路径规划算法包括基于图论的算法、基于采样的算法等。
基于图论的算法将环境抽象为图，通过搜索图中的路径来寻找机器人的运动轨迹。
基于采样的算法则是在搜索过程中不断采样新的点来扩展搜索范围，如随机路标图（PRM）和快速探索随机树（RRT）等。
2. 智能算法随着人工智能技术的发展，越来越多的智能算法被应用于移动机器人路径规划领域。
如神经网络、遗传算法、蚁群算法等。
这些算法能够根据环境信息和任务需求，自主地寻找最优路径，具有较高的自适应性和鲁棒性。
四、近年来的研究成果近年来，移动机器人路径规划算法在研究方面取得了诸多进展。
一方面，传统的算法在面对复杂环境时，仍然存在着一定的局限性。
为了解决这些问题，研究者们对传统算法进行了改进和优化，提高了其适应性和性能。
另一方面，智能算法在移动机器人路径规划领域的应用也越来越广泛，取得了显著的成果。
移动机器人路径规划算法研究综述1. 引言1.1 研究背景移动机器人路径规划算法研究的背景可以追溯到上个世纪七十年代，随着自动化技术的快速发展，移动机器人作为自主运动和智能决策的机械系统，逐渐成为研究热点。
路径规划是移动机器人实现自主导航和避障的重要技术之一，其在工业自动化、智能交通、医疗护理等领域具有广泛的应用前景。
目前，移动机器人路径规划算法的研究已经取得了一系列重要进展，传统的基于图搜索的算法（如A*算法、Dijkstra算法）和基于启发式搜索的算法（如D*算法、RRT算法）被广泛应用于不同环境下的路径规划问题。
随着深度学习技术的发展，越来越多的研究开始将深度神经网络应用到路径规划中，取得了一些令人瞩目的成果。
移动机器人路径规划仍然存在一些挑战和问题，如高维空间中复杂环境下的路径规划、多Agent协作下的路径冲突问题等。
对移动机器人路径规划算法进行深入研究和探索，对于促进智能机器人技术的发展，提升机器人在各个领域的应用能力具有重要的意义。
【研究背景】1.2 研究目的本文旨在对移动机器人路径规划算法进行研究综述，探讨不同算法在实际应用中的优缺点，总结最新的研究成果和发展趋势。
移动机器人路径规划是指在未知环境中，通过算法规划机器人的运动轨迹，使其能够避开障碍物、到达目标点或完成特定任务。
研究目的在于深入了解各种路径规划算法的原理和实现方法，为实际场景中的机器人导航提供理论支持和技术指导。
通过对比实验和案例分析，评估不同算法在不同场景下的性能表现，为工程应用提供参考和借鉴。
本文旨在总结当前研究的不足之处和未来发展的方向，为学术界和工程领域提供启示和思路。
通过本文的研究，旨在推动移动机器人路径规划领域的进一步发展和应用，促进人工智能和机器人技术的创新与进步。
1.3 研究意义移动机器人路径规划算法的研究意义主要体现在以下几个方面。
移动机器人路径规划算法在工业生产中具有重要意义。
通过优化路径规划算法，可以提高生产效率，降低生产成本，减少对人力资源的依赖，从而提升工业生产的效益和竞争力。
《移动机器人路径规划算法研究》篇一一、引言随着科技的不断发展，移动机器人在各个领域的应用越来越广泛，如物流、医疗、军事等。
而移动机器人的核心问题之一就是路径规划问题，即如何在复杂的环境中，寻找最优的路径以达到目标。
本文将深入探讨移动机器人路径规划算法的研究，分析其发展现状及未来趋势。
二、移动机器人路径规划算法概述移动机器人路径规划算法是指机器人在给定的环境中，根据预设的目标，通过计算得出一条最优的移动路径。
该算法主要涉及环境建模、路径搜索和路径优化三个部分。
环境建模是通过对环境的感知和描述，建立机器人的工作环境模型；路径搜索是在工作模型中寻找可行的路径；路径优化则是对搜索到的路径进行优化，以获得最优的移动路径。
三、常见的移动机器人路径规划算法1. 栅格法：将工作环境划分为一系列的栅格，通过计算每个栅格的代价，得出从起点到终点的最优路径。
该方法简单易行，但计算量大，对于复杂环境适应性较差。
2. 图形法：将工作环境抽象为图形，利用图论中的算法进行路径搜索。
该方法可以处理复杂的环境，但需要建立精确的图形模型。
3. 随机采样法：通过在环境中随机采样大量的点，根据采样的结果得出最优路径。
该方法计算量小，但对于复杂环境的处理能力有限。
4. 基于神经网络的算法：利用神经网络学习环境的特征，从而得出最优的路径。
该方法具有较好的自适应能力，但需要大量的训练数据。
四、移动机器人路径规划算法的研究现状目前，国内外学者在移动机器人路径规划算法方面进行了大量的研究。
在传统算法的基础上，结合人工智能、深度学习等技术，提出了一系列新的算法。
例如，基于强化学习的路径规划算法、基于遗传算法的路径优化等。
这些新算法在处理复杂环境、提高路径优化的效率等方面取得了显著的成果。
五、移动机器人路径规划算法的挑战与展望尽管移动机器人路径规划算法取得了显著的进展，但仍面临许多挑战。
首先，对于复杂环境的处理能力还有待提高；其次，如何提高路径优化的效率也是一个重要的问题；此外，如何将人工智能、深度学习等技术更好地应用于路径规划算法中也是一个研究方向。
移动机器人路径规划技术的现状与发展一、概述移动机器人路径规划技术，作为机器人领域的核心技术之一，在近年来取得了显著的进步与发展。
路径规划技术决定了机器人在复杂环境中如何安全、高效地完成既定任务，对于提升机器人的自主导航和智能决策能力具有至关重要的作用。
当前，移动机器人路径规划技术已广泛应用于工业自动化、物流配送、医疗救援、军事侦查等多个领域，为这些领域的智能化发展提供了有力支持。
随着应用场景的不断拓展和任务的复杂化，对移动机器人路径规划技术的要求也日益提高，这推动了相关技术的不断创新和发展。
在移动机器人路径规划技术的研究中，研究者们不断探索新的算法和技术，以提高路径规划的准确性和效率。
传统的路径规划算法，如Dijkstra算法、A算法等，在已知环境地图中表现出良好的性能，但在面对动态未知环境时，其适应性和实时性受到限制。
研究者们开始关注智能算法和学习算法在路径规划中的应用，如遗传算法、蚁群算法、神经网络以及深度学习和强化学习等。
未来，随着计算机、传感器及控制技术的进一步发展，移动机器人路径规划技术将呈现以下趋势：一是性能指标要求不断提高，包括实时性、安全性和可达性等二是多移动机器人系统的路径规划将成为研究热点，需要解决多机器人之间的协同与协作问题三是多传感器信息融合将在路径规划中发挥越来越重要的作用，以提高环境感知的准确性和可靠性。
移动机器人路径规划技术作为机器人领域的核心技术，正面临着广阔的发展前景和巨大的挑战。
通过深入研究和应用新技术，我们有望为移动机器人路径规划技术的发展注入新的活力，推动机器人领域的持续进步。
1. 移动机器人路径规划技术的重要性在智能科技飞速发展的今天，移动机器人路径规划技术已成为机器人领域研究的核心内容之一。
路径规划技术对于移动机器人的自主性、导航能力和智能决策能力具有至关重要的意义。
它不仅是移动机器人完成各种复杂任务的基础，也是实现机器人智能化的关键标志。
路径规划技术直接影响移动机器人的导航效率。
智能机器人中的路径规划技术研究智能机器人是目前人工智能技术的一项重要应用。
而其中，路径规划技术是智能机器人实现智能行动的核心基础技术之一。
本文将就智能机器人路径规划技术的发展历程、常用算法以及未来发展趋势等方面进行论述。
一、发展历程智能机器人的路径规划技术是近些年来才出现的，但其发展历程却早已存在。
智能机器人路径规划技术的起源可以追溯到早期的自动化设备领域，如自动存储系统。
当时，路径规划主要采用经验算法，计算机根据表格中存储的数据来确定路径。
不过由于此种方式的计算能力有限，难以满足高速、大规模、多任务的要求。
直至1968年，人工智能领域智能计算的兴起，为路径规划技术带来了新的发展契机。
其后，随着深度学习、神经网络、强化学习等技术的不断发展，智能机器人路径规划技术也不断创新。
二、常用算法目前，智能机器人路径规划技术有很多模型和算法。
我们将在下面列出其中一些常见的算法。
1. A*算法A*算法是一种带有启发函数的寻路算法。
它采用启发函数来估计离终点的距离。
通过对启发函数的计算探测网络中的结点，并在开放列表中选择离终点最近的结点继续向终点前进。
这种算法对于更复杂的网络比较适用。
2. Dijkstra算法Dijkstra算法是一种广泛使用的算法，它是一种单源最短路径算法，也就是解决从起点到终点的最短路径问题。
它采用贪心策略，每次都选择距离源点最近且没被处理过的结点，并用其更新相邻结点到源点的距离。
3. Floyd算法Floyd算法是另一种常用的算法，它用于在有向无环图（DAG）中求最短路径。
它采用动态规划策略，以O(n^3)的时间复杂度求解所有结点对的最短距离，并且可以得到路径。
三、未来发展趋势智能机器人路径规划技术还有很大的发展前景。
未来，处理复杂场景和大规模任务是逐渐成为路径规划技术的研究热点。
现在，主流的路径规划方法依靠基于局部地形地图的规划算法，通过对地图细节进行尽可能准确的模拟来实现路径规划。
但这种方法的局限性也很明显，比如在开放水平地面和未知环境中就很难实现路径规划。
机器人导航系统中的动态路径规划算法研究导语：机器人导航系统是现代机器人技术中的关键技术之一。
在实际应用中，机器人往往需要根据环境的变化实时调整路径，并避免障碍物。
因此，动态路径规划算法的研究变得尤为重要。
本文将从机器人导航系统的基本原理出发，探索动态路径规划算法的研究现状和发展趋势。
一、机器人导航系统的基本原理机器人导航系统是指机器人在未知环境中能够自主地规划路径，并通过感知技术和运动控制实现目标位置的导航。
其基本原理包括环境感知、路径规划和运动控制。
环境感知主要通过传感器获取环境信息，例如摄像头、激光雷达等；路径规划则是根据环境信息和目标位置，确定机器人的移动路径；运动控制则负责控制机器人按照规划的路径进行移动。
二、静态路径规划算法的缺陷静态路径规划算法在预先确定完整地图的情况下，能够实现较好的路径规划效果。
然而，在实际应用中，环境会不断变化，包括障碍物移动或出现新的障碍物等。
静态路径规划算法无法应对这些变化，导致路径规划失效或效果不佳。
三、动态路径规划算法的研究现状为了解决静态路径规划算法的缺陷，研究人员提出了一系列动态路径规划算法。
其中，基于模型的算法是常用的方法之一。
该算法通过建立环境模型，预测障碍物的运动轨迹，并在路径规划过程中考虑这些预测结果。
另外，基于潜力场的算法也被广泛研究。
该算法通过在环境中引入虚拟力场，使机器人受到力的作用，从而规避障碍物。
此外，遗传算法、粒子群算法等智能优化算法也被引入动态路径规划中，用于寻找最优解。
四、动态路径规划算法的挑战尽管动态路径规划算法取得了一定的进展，但仍然存在一些挑战。
第一，环境的变化通常是不确定和非线性的，预测障碍物的轨迹是一个难题。
第二，随着机器人的快速移动和环境的复杂性增加，实时性和计算效率成为了瓶颈。
第三，算法的鲁棒性需要进一步提高，以应付不同环境下的异常情况。
五、动态路径规划算法的发展趋势为了解决动态路径规划算法面临的挑战，研究人员提出了一些新的思路和方法。
机器人路径规划算法的研究与优化机器人在工业、农业、医疗等领域中的应用越来越广泛，而机器人的路径规划算法对于实现其自主导航、高效执行任务等方面起着关键作用。
本文将探讨机器人路径规划算法的研究现状，并介绍一些优化方法。
1. 背景介绍机器人路径规划是指在给定的环境中，寻找一条合适的路径使机器人从起始点到达目标点，并避免碰撞障碍物。
该问题属于一个多目标优化问题，需要兼顾路径的最短、最快、最安全等多个因素。
2. 常用的路径规划算法2.1. A*算法A*算法是一种常用的启发式搜索算法，通过综合考虑启发函数和代价函数，找到一条从起始状态到目标状态的最优路径。
它通过估计从当前节点到目标节点的代价来决定搜索方向，可以在有限时间内得到最优解。
2.2. Dijkstra算法Dijkstra算法是一种单源最短路径算法，通过将图中的节点分为已访问和未访问两类，并动态更新节点的距离值，从起始节点开始逐步扩展到其他节点，直到到达目标节点。
该算法适用于无权图的路径规划，但对于大规模图存在计算效率较低的问题。
2.3. RRT算法RRT算法是一种基于随机采样的快速探索算法，通过在配置空间中随机采样点，并通过连接采样点和最近邻节点的方式构建一棵树状结构，以实现路径搜索。
该算法适用于高维空间的路径规划问题，在实时性要求较高的应用中具有优势。
3. 路径规划算法的优化方法3.1. 智能优化算法智能优化算法包括遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等，通过模拟生物进化和群体行为等机制，搜索最优解。
这些算法能够充分利用搜索空间，解决路径规划中的多目标问题，并具有较好的鲁棒性和全局搜索性能。
3.2. 深度学习与强化学习深度学习和强化学习结合路径规划算法，可以通过神经网络模型和强化学习算法，实现机器人路径规划的自主学习和优化。
通过训练和学习，机器人能够根据环境和任务要求，自主选择最优路径，并逐步优化路径规划算法。
3.3. 实时路径规划针对实时性要求较高的应用场景，可以使用动态行进规划（DWA）算法等实时路径规划方法。
机器人路径规划算法的研究与改进近年来，随着技术的快速发展，人工智能领域的研究也日益深入。
机器人成为了众多领域中不可或缺的一部分，其中路径规划算法就扮演着关键的角色。
路径规划算法的研究与改进不仅对机器人的移动效率和安全性具有重要意义，也对人们生活中的智能交通、自动化仓储等方面产生了积极的影响。
传统的路径规划算法主要有A*（A-star）、Dijkstra和最小生成树等。
A*算法是基于图搜索的启发式算法，通过在每一步选择离目标位置最近的路径，避免了无谓的搜索，提高了搜索效率。
Dijkstra算法则是一种单源最短路径算法，适用于具有正权边的图结构。
而最小生成树算法主要解决连通图中选择最小边的问题。
然而，这些传统算法在应对复杂的实时环境时往往效果并不理想。
因此，近年来研究者们开展了大量的机器人路径规划算法的改进工作，以提高算法的性能。
一方面，使用优化算法和机器学习技术对路径规划算法进行改进，另一方面则探索新的路径规划算法，如遗传算法、模拟退火算法等。
优化算法和机器学习技术在路径规划算法中的应用，可以大大提高算法的效率和准确性。
例如，采用遗传算法优化路径规划中的权重参数，可以根据不同的实时环境，自动调整权重以适应不同的需求。
此外，机器学习技术可以通过对大量历史数据的学习，提高算法的智能性和适应性。
除了优化算法和机器学习技术，新的路径规划算法也成为了研究热点。
例如，蚁群算法模拟了蚂蚁在寻找食物时的行为，通过蚁群信息素的传递和留下的轨迹，快速找到最优路径。
又如，模拟退火算法则通过模拟固体在退火过程中的结晶过程来寻找全局最优解。
在路径规划算法的研究与改进过程中，还需要考虑到实际应用场景的特殊性。
例如，在自动化仓储中，机器人需要考虑货物的存放位置、重量和大小等信息，避开障碍物并进行高效的路径规划。
在智能交通领域，机器人需要根据实时的车流量、交通信号等信息选择最佳路径。
因此，算法的改进必须兼顾理论与实践的结合，才能更好地满足实际需求。
机器人路径规划方法的研究进展与趋势朱明华,王霄,蔡兰(江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013)摘要:对机器人路径规划的研究进行了概括和总结,阐述了机器人全局路径规划方法、局部路径规划方法及混合方法的研究现状、特点和主要成果,指出了其今后的发展方向及研究重点。
关键词:机器人;遗传算法;路径规划;粗糙集中图分类号:T P242 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2006)3-005-4R esearch P rogress and Future Develop m ent on Path P lanni n g for RobotZ HU M inghua,WANG X iao,CA I Lan(M echanical Eng i n eering Institute,Jiangsu Un i v ersity,Zhenjiang Jiangsu212013,China) Abstrac t:T he research of robo t pa t h plann i ng w as s umm arized,the research sta t us quo,character i stic and ma i n producti on of robo t g l obal path p l ann i ng m ethod,l oca l path p l ann i ng m ethod and hybr i d m ethod were expatiated,its deve l op m ent d irec tions and study f o cus w ere po i nted out.K eyword s:R obot;G enetic a l gor it hm s;P ath p lann i ng;R ough set路径规划技术是机器人研究领域中的一个重要分支,是机器人导航中最重要的任务之一。
蒋新松在文献[1]中为路径规划作出了这样的定义:路径规划是自治式移动机器人的一个重要组成部分,它的任务就是在具有障碍物的环境内按照一定的评价标准,寻找一条从起始状态(包括位置和姿态)到达目标状态(包括位置和姿态)的无碰路径。
障碍物在环境中的不同分布情况当然直接影响到规划的路径,而目标位置的确定则是由更高一级的任务分解模块提供的。
目前,根据对环境的掌握情况,机器人的路径规划问题可以大致分为二大类:基于环境先验信息的全局路径规划;基于不确定环境的传感器信息的局部路径规划。
1 全局路径规划方法(G lobal Pat h Plann i n g)依据已获取的全局环境信息,给机器人规划出一条从起点至终点的运动路径。
规划路径的精确程度取决于获取环境信息的准确程度。
全局路径规划规划方法通常可以寻找最优解,但需要预先知道准确的全局环境信息。
通常该方法计算量大,实时性差,不能较好地适应动态非确定环境。
基于环境建模的全局路径规划的方法主要有:自由空间法、构型空间法和栅格法等。
1 1 自由空间法(Free Space Approach)自由空间法采用预先定义的如广义锥形[2]和凸多边形[3]等基本形状构造自由空间,并将自由空间表示为连通图,然后通过搜索连通图来进行路径规划,此方法比较灵活,即使起始点和目标点改变,也不必重构连通图,但是算法的复杂程度与障碍物的多少成正比,且不能保证任何情况下都能获得最短路径。
因而该方法仅适用于路径精度要求不高,机器人速度不快的场合。
按照划分自由空间方法的不同又可分为:凸区法、三角形法、广义锥法。
1 2 构型空间法为了简化问题,通常将机器人缩小为一点,将其周围的障碍物按比例相应地进行拓展,使机器人在障碍物空间中能够任意移动而不与障碍物及其边界发生碰撞。
目前研究比较成熟的有可视图法[4]和优化算法(如D ijkstra法[5]、A*搜索算法[6]等)。
1 2 1 可视图法(V-G r aph)通过起始点和目标点及障碍物的顶点在内的一系列点来构造可视图。
连接这些点使某点与其周围的某可视点相连,即要求机器人和障碍物各顶点之间、目标点和障碍物各顶点以及各障碍物顶点与顶点之间的连线均不能穿越障碍物,也即直线是可视的。
从而搜索最优路径的问题就转化为经过这些可视直线从起始点到目标点的最短距离问题。
1 2 2 优化算法(Optm i ization A l gorit hm)优化算法可以删除一些不必要的连线以简化可视图,从而缩短搜索时间,求得最短路径。
但是,优化算法缺乏灵活性,一旦起点和目标点改变,就必须重构可视图,并且搜索效率也较低。
1 3 栅格法(Grids)栅格法[7]将机器人的工作环境分解成一系列具有二值信息的网格单元,并假设工作空间中障碍物的位置和大小已知且在机器人运动过程中不会发生变化。
用尺寸相同的栅格对机器人的二维工作空间进行规划,栅格大小以机器人自身的尺寸为准。
若某一栅格范围内不含任何障碍物,则称此栅格为自由栅格;反之,称为障碍栅格。
这样,自由空间和障碍物均可表示为栅格块的集成。
栅格的表识方法有两种:直角坐标法和序号法。
直角坐标法如图1所示,以栅格阵左上角为坐标原点,水平向右为X轴正方向,竖直向下为Y轴正方向,每一栅格区间对应坐标轴上的一个单位长度。
因此,区间上的栅格与直角坐标(x, y)一一对应;序号法如图2所示,按从左到右,从上到下的顺序,从栅格阵左上角第一个开始,给每个栅格一个序号,序号与栅格块也一一对应。
图1 直角坐标法 图2 序号法栅格法以栅格为单位记录环境信息,栅格大小对环境信息存储量的大小和规划时间的长短有着重要影响,栅格划分大了,环境信息存储量小,规划时间短,但分辨率就低;反之,虽然分辨率高了,但规划时间长。
2 局部路径规划方法(Loca lPath P lann i n g)局部规划方法侧重考虑机器人探知的当前局部环境信息,这使机器人具有较好的避碰能力。
现有的不少移动机器人路径规划方法都采用局部方法,其规划仅依靠传感系统实时感知的信息。
与全局规划方法相比,局部规划更具实时性和实用性;对动态环境具有较强适应能力;其缺点是由于仅依靠局部信息,有时会产生局部极值点或振荡,无法保证机器人能顺利地到达目标点。
2 1 人工势场法(A rtific ial Potentia lF ield)人工势场法[8]最早是由Khatib和K rogh提出的一种虚拟力法。
在K hati b研究机器人手臂在笛卡儿空间中如何直接由任务相关的参数、运动、受力来控制其运动的问题中,K r ogh引入了一个重要的概念:广义势场(Generalized F iel d),即既考虑位置X,又考虑速度V=X。
常用的有以下几种势场:牛顿型势场、圆形对称势场、超四次方势场、调和势场及虚拟力场。
在人工势场中,障碍物被看作斥力场,目标被看作引力场,所以障碍物对机器人产生斥力,目标对机器人产生引力,通过求引力和斥力的合力来控制机器人的运动。
人工势场法结构简单,计算量小,实时性好。
因而广泛应用于实时避障和平滑轨迹控制方面。
但是在局部最优解的问题上容易产生死锁现象(D ead Lock)现象[9],从而可能导致机器人陷入局部最优点。
2 2 遗传算法(Genetic A lgorith m s)遗传算法是一种多点搜索算法,也是目前机器人路径规划研究中应用较多的一种方法。
由于遗传算法的整体搜索策略和优化计算不依赖于梯度信息,且作为并行算法其隐并行性适用于全局搜索,所以解决了其它一些算法无法解决的问题。
国内外很多专家、学者等在这方面作了大量研究,并取得了很多成果。
孙树栋等[10]实现了离散空间下移动机器人路径规划新方法,该方法采用栅格序号作为个体的编码形式,与传统的二进制编码方法相比,具有编码长度短、易于进行遗传操作等优点。
在该方法中,提出了间断无障碍路径概念,引入插入和删除算子,方便了遗传算子的实现,保证了路径的连续和可行性。
但该路径规划是基于确定环境模型的,所以有其局限性。
在离散空间下路径规划中,K azuo Sugi hara and John S m ith[11]进行了更深入的研究,他们对栅格序号采用二进制编码,随机产生障碍物位置和数目,在搜索到最优路径后再在环境空间中随机插入障碍物,以此来模拟环境变化,仿真结果验证了其有效性和可行性。
但是,规划空间的栅格法建模有其自身的缺陷,所以还有待改进。
周明等提出一种连续空间下基于遗传算法的移动机器人路径规划方法[12],该方法在规划空间时有别于离散空间下的栅格法,而是在利用链接图[13]建模的基础上,先通过图论中成熟的算法粗略搜索出可行路径,再用遗传算法调整路径点得到最优路径。
这种编码方法效率较高,不会产生无效路径,使用基本遗传算法就可以完成路径规划问题。
但对于复杂环境链接图的建立有一定困难。
此外,遗传算法运算速度低,进化众多的规划要占据较大存储空间和运算时间。
2 3 模糊逻辑算法(Fuzzy Log ic A l g orith m)模糊逻辑算法是基于实时传感信息的一种在线规划方法。
H art m ust Sur m a nn等[14]提出一种未知环境下的高级机器人模糊导航方法,由八个不同的超声传感器来提供环境信息,然后利用基于模糊控制的导航器计算这些信息,规划机器人路径。
李彩虹等[15]提出了一种在未知环境下移动机器人的模糊控制算法,庄晓东等[16]提出一种动态环境中基于模糊概念的机器人路径搜索算法。
2 4 神经网络方法(A rtificia lNeura lNet w or k)神经网络作为一个高度并行的分布式系统,为解决机器人系统实时性要求很高的问题提供了可能性,并应用于机器人路径规划方面。
禹建丽等[17]提出了一种基于神经网络的机器人路径规划算法。
禹建丽[18]又引进了线性再励的自适应变步长算法,提高了机器人路径规划速度。
研究了障碍物形状和位置已知情况下的机器人路径规划算法,其能量函数的定义利用了神经网络结构,规划出的路径达到了折线形的最短无碰路径,该方法计算简单、收敛速度快。
刘成良等[19]提出了基于神经网络的机器人无碰撞路径规划方法,给出了无碰撞轨迹规划的人工神经网络算法,证明了其可行性,为神经网络真正用于机器人控制提供了基础。
陈宗海[20]提出了一种在不确定环境中移动机器人的路径规划方法,采用基于案例的学习算法,进行案例的匹配、学习和扩充,使用ART-22神经网络实现,提高了路径规划的效率,以满足移动机器人在线路径规划的实时性要求。
樊长虹等[21]针对移动机器人的未知环境下采用了一种局部连接H opfi eld神经网络规划器。
对任意形状环境,ANN中兼顾处理了 过近 和 过远 来形成安全路径,而无需学习过程。
