基于相關空間法的自主導航算法研究

李健　黃一峰　王彬

（1.裝甲兵技術學院吉林長春130117；2.東風商用車公司技術中心湖北武漢430100；3.湖北商貿學院湖北武漢430070）

基于相關空間法的自主導航算法研究

李健1黃一峰2王彬3

（1.裝甲兵技術學院吉林長春130117；2.東風商用車公司技術中心湖北武漢430100；3.湖北商貿學院湖北武漢430070）

井下采礦工作自動化使駕駛員能夠遠離井下高危環境，并且能夠更精準的駕駛車輛，為井下采礦工作提供了一種安全經濟的開采模式，是一種井下采礦工作的發展趨勢。本文在實車實驗的基礎上，對基于相關空間法的自主導航算法進行研究，這種地下礦車自主導航算法具有針對性強、安全高效的特點，在運行效果上能夠超過人工操作。

相關空間法自主導航算法

一、相對式導航的特點

地下采礦工作中，相對式導航不依賴于預先設定的軌跡，僅僅通過自身對巷道周圍環境的感知，引導地下礦車沿著寬敞的區域自主行駛。相對式導航的特點為：

1.無路徑規劃與精確定位需求。相對式導航需要車身自載傳感器對周圍環境與自身姿態探測，而不需精確定位與規劃路徑。

2.準確避障。絕對式導航僅能夠預定出行駛路線，但是對非地圖中出現的當前障礙點無法規避。相對式導航對周圍環境實時監測，利用車身自載傳感器及時探測到周圍的環境，對所有障礙物都能夠及時有效的避障，保證地下礦車安全有效自主行駛。

3.局部最優。相比絕對式導航工作，相對式導航算法是一種局部最優的算法，它需要結合全局最優算法完成整個自主導航工作。

4.具有一定的前瞻性。相對導航因其利用測距傳感器來感知前方的道路信息，能夠根據前方的道路信息提前預測出下一步的行駛決定，具有一定的前瞻性。

二、常用的相對式自主導航算法

在相對式導航中，核心內容是如何對當前環境做出反應判斷，并驅動車輛完成自主避障。整個相對式導航過程中，自主避障是最為核心的內容，目前比較常用相對式導航自主避障的算法有：

1.模糊控制法。模糊控制法是一類應用模糊集合理論的控制方法，它沒有像經典控制理論那樣，把實際情況加以簡化，從而建立起數學模型，而是通過人的經驗和決策進行相應的模糊邏輯推理，并且用具有模糊性的語言來描述整個時變的控制過程。

2.人工勢場法。它的核心是設想機器在運動過程中周圍環境存在虛擬力量場，這個力量場會對機器人的運動有所牽涉和影響。目標位置對機器人有引力作用，而障礙物對機器人有斥力作用，這兩種力形成了移動機器人的運動信息，從而使機器人自主計算出障礙物的位置，繞過它繼續運動以完成任務。

3.遺傳算法。遺傳算法適合研究參數不確定系統的計算模型，通過模擬自然進化過程搜索最優解的方法，它的思路來源于達爾文生物進化論的自然選擇以及遺傳學機理的生物進化過程。

4.人工神經網絡法。類似于大腦神經突觸的聯接，將神經元計算輸入信號的權重和，并將結果和閥值比較，如果大于閥值則表示神經元被激活，輸出為1，如果小于閥值則輸出為-1。人工神經網絡法可以完成自學習，是一種適用性較廣的算法。

其他的還有前饋神經網絡、柵格法等算法，這些算法特點突出，對不同環境下的運算結果也不同。

三、相關空間法

通過研究現有的相對式導航控制算法發現，影響車輛行駛的因素可以概括為在某一特定空間車輛周圍環境信息，這也符合駕駛員實際駕駛感受。所有的駕駛決策信息都來自于行駛車輛的空間信息，而且空間與空間有相關性，正是這種相關性實現了車輛行駛的連續性。車輛行駛環境的空間信息可以轉化為車輛行駛的決策信息。

相對式導航通過傳感器來感知周圍的環境信息，也可以通過已感知的環境空間信息來進行行駛決策，基于此本文提出了一種基于相關空間法的相對式導航算法，提出了相關空間法的概念定義。相關空間法的定義為：不同數值空間之間有相互影響，利用不同空間之間的相互作用結果來選取某一個特定空間最優值的算法即為相關空間法。本文提出了相關空間法，主要用于解決地下采礦工作中自主行駛問題。

在有關自主行駛的運用方面，相關空間法的一般思路為：確定多組空間V1-Vn，空間之間滿足同一組組員之間不相關，而不同組的組員之間有相互作用。下式表示空間與空間內元素的信息。前兩組信息為：

依此類推，第m組空間為：

對于這些空間而言，它們有評估值，評估數值取決于元素自身和其他空間中的元素，而不與自身所在空間中的其他元素相關。對于第k個空間中的第l個元素而言，其具體關系如下式表示：

式中λkl——第k個空間中的第l個元素的總評估值；

a11至a1s——右邊矩陣的參數；

vkl——第k個空間中的第l個元素的值；

v11至vmq——非第k個空間的其他空間的所有元素值。

對于v11至vmq，他們都與評估值λkl相關聯，而與λkl不相關。

相關空間法的算法框架簡單實用，它表示元素的評估值與多種因素相關聯，這與實際情況一致。相關空間法可運用于相互關聯性強的區域，通過不同空間元素的作用相互制約，即可在一定情況下求得在多個環境因素的影響下的最優元素，此元素極有可能為最優解。

結論

通過對基于相關空間法的自主導航實驗，驗證了基于相關空間法的自主導航策略的可靠性，并且通過與人工駕駛進行比較，通過實驗結果可知基于相關空間法的自主導航策略比人工駕駛方法更適合地下巷道環境中的采礦工作。