基于矢量場的移動機器人路徑規劃算法研究

摘要：路徑規劃技術是移動機器人成功走向應用的關鍵技術，為了解決該問題，已經涌現出了諸多求解方法，但是已有算法不同程度都存在一定的局限性，尤其對未知工作環境，不少路徑規劃算法的復雜度會大大增加，甚至無法求解，因此本論文提出了矢量場法用于移動機器人的路徑規劃，該方法對環境依賴程度低，仿真結果驗證了矢量場法能夠有效的進行未知環境下的路徑規劃，并且算法簡單，程序易于實現。

關鍵詞：移動機器人 未知環境 路徑規劃 矢量場

0 引言

當前移動機器人在生產車間、搶險救災、資源勘探、醫療服務等領域得到了廣泛應用，在諸多機器人技術當中，路徑規劃技術是移動機器人成功走向應用的關鍵技術，因此該項技術的研究得到了廣泛關注。所謂路徑規劃就是指移動機器人按照某一性能指標（如距離、時間、能量等）搜索一條從起始狀態到目標狀態的最優或次優路徑[1]。

為了解決該問題，經過多年的發展，已經涌現出了許多有效的求解方法[2]，諸如可視圖法[3][4]、人工勢場法[5]、自由空間法[6]、遺傳算法[7]等。但是已有算法不同程度都存在一定的局限性，諸如環境依賴性強、算法復雜、效率不高等，尤其對復雜未知工作環境，有些路徑規劃算法甚至無法求解，因此本論文提出了矢量場法用于移動機器人的路徑規劃，該方法對環境依賴程度低，能夠有效的進行復雜未知環境下的路徑規劃，并且程序易于實現。

1 矢量場法簡介

矢量場法嚴格意義上說是一種人工勢場法的變異，傳統人工勢場法利用障礙物和目標產生勢能，給機器人進行導航，主要應用在全局環境已知的情況下進行路徑規劃，而矢量場法則是利用機器人自身傳感器測出障礙物的距離以及目標距離，繼而產生虛擬勢能進行導航，因此可以用于復雜未知環境的路徑規劃。

本文以載有五個測距傳感器并以45度夾角布置的移動機器人為例介紹該方法。為了便于闡述，將機器人近似成一質點，如圖1-1中心黑點所示。移動機器人使用該法進行路徑規劃時，首先通過測距傳感器獲取周圍障礙物的距離值，再將這些距離值轉化成對應的排斥力，其大小為關于距離值的函數。移動機器人運動的目標位置產生一個吸引力，最終這些力的合力方向形成移動機器人的運動方向。

圖1-1為某時刻移動機器人在某點處測距傳感器測得周圍障礙物的信息，障礙物的位置向量使用灰色實線標出，而其表現出的斥力用黑色虛線表示，最終這些虛擬斥力合成合斥力Fobs，圖中用點線標注。

矢量場生成的力是關于距離的函數，障礙物離機器人越遠，相應產生的虛擬力也就越小，其對機器人移動方向的影響也就越小，生成的斥力可由下列公式求得。

最終的合力是由合斥力和引力合成，該合力可以通過公式1-2求出，此時合力的方向便是當時機器人航向。

2 實驗

為了驗證算法的可行性，借助Matlab對矢量場法用于移動機器人路徑規劃進行仿真。實驗中使用的地圖為大小4000×4000的柵格地圖，每柵格尺寸對應1mm，搭建好的地圖如圖2-1所示，地圖布局模擬了實際辦公室一角布局，對于移動機器人該地圖信息是未知的。

根據地圖信息，確定起始坐標和目標坐標分別為（-640，-1600）和（-680，1600），同時設定測距傳感器最大測距范圍為500mm，斥力和引力的權值w和w根據情況，初定為w=1、w=5進行實驗，實驗進行過程中根據權值w和w的不同，進行多組實驗，尋找最優權值。最終經過對比發現當w=1、w=3時，此時移動機器人在地圖中路徑規劃效果最好。圖2-2即為此時機器人運行的軌跡，圖中連續線條為機器人運動路徑，周圍不規則的圈為測距傳感器測得的周圍障礙物情況。通過仿真，可以看出移動機器人利用矢量場法在未知復雜環境下能夠進行有效的路徑規劃，同時合適的引斥力權值則能夠進一步優化路徑。

3 結論

論文對未知工作環境移動機器人路徑規劃問題進行了研究，鑒于已有算法在未知復雜環境中的一些局限性，提出了利用矢量場法進行路徑的實時規劃，該方法對環境依賴程度低，算法簡單，程序易于實現，仿真實驗結果驗證了移動機器人利用矢量場法在未知復雜環境下進行路徑規劃的可行性，并且表明合適的引斥力權值能夠進一步優化規劃路徑。

參考文獻：

[1]李磊等.移動機器人技術研究現狀與未來[J].機器人，2002（5）：475-480.

[2]康亮.自主移動機器人運動規劃若干算法的研究[D].南京：南京理工大學，2009.

[3]李大東，孫秀霞，彭建亮，孫彪.基于可視圖法的改進Dijkstra算法[J].電光與控制，2010，17（3）：40-43.

[4]李勁松，顏國正，呂恬生，宋立博.一種移動機器人全局路徑規劃新方法[J].機械設計與研究，2009，25（3）：30-32.

[5]張建英，趙志萍，劉暾.基于人工勢場法的機器人路徑規劃[J].哈爾濱工業大學學報，2006（8）：1306-1309.

[6]朱明華，王霄，蔡蘭.機器人路徑規劃方法的研究進展與趨勢[J].機床與液壓，2006（3）：5-8.

[7]王紅，周越.針對機器人路徑規劃問題的改進型遺傳算法[J].沈陽師范大學學報（自然科學版），2009，27（3）：335-337.

作者簡介：紀海賓（1986-），男，江蘇鹽城人，助教，碩士研究生，研究方向：機器人應用技術。