工業移動機器人路徑規劃討論分析

吳云鋒 諶僑

摘要：人工勢場法在路徑規劃期間容易因為勢場局部區域存在的最小點和限制等問題，從而使得移動機器人難以根據預先規定的路徑運行，為此需要根據現實工作中復雜的障礙物擺放位置，重新設定移動機器人路徑規劃方案，使得移動機器人可以在復雜的環境下，依然可以自由移動，為了完成這個目標，本文將根據移動機器人行進存在的問題，改進人工勢場法，明確規定前進方向向量，并使用計算機根據斥力生成條件，調整局部最小點以及陷阱區域，完善路徑規劃機制，使得移動機器人有判斷能力，可以在虛擬目標點指引作用下，擺脫勢場局部最小點。改進后的人工勢場法變得異常重要，本文將以as-r移動機器人為例分析改進人工勢場法自主移動機器人路徑規劃，使移動機器人在移動期間，免受地面阻礙物的干擾，提升路徑規劃效率。

關鍵詞：人工勢場法;移動機器人;路徑規劃;方向;向量

0 ?引言

移動機器人路徑規劃，就是移動機器人在命令下，探測周圍環境，在接收器收到探測信號后，掌握移動環境中障礙物的位置信息，在不斷觸碰過程中，得到一條可以安全行進的路線。當前路徑規劃主要分為兩個類型，一為常規規劃，二為智能規劃方法。常規規劃方法存在較多問題，無法保證移動機器人可以在短期內順利避開移動環境的障礙物，為此當前以智能規劃方法為主。在智能規劃方法中存在蟻群算法、神經網絡以及遺傳算法，根據實際比對后，可以發現移動機器人的移動會因為移動環境的復雜性，影響到移動機器人的行進路線。如果無法在未知環境下根據實時性，在算法的運行中及時掌握障礙物信息，便會使得情境方向容易遭到障礙物阻攔，而無法及時調整行進路線，路徑規劃不需要提前根據移動環境設計完整路徑，而是使用算法。保證移動機器人可以實時根據移動碰撞收集的信息，設計行進路線，規劃出安全平滑的路徑。當前需要對算法進行調整，這樣才能在復雜的環境下，提升移動機器人的適應能力，避免移動機器人期間因為局部最小值，陷入障礙區域。從而使機器人在規劃路徑下，順利抵達目的地。

1 ?規劃路線無法達到目標點的原因

首先，機器人行進時，需要避開移動環境的所用障礙物，抵達目標點，障礙物和目標點會在移動機器人行進期間，形成斥力合力，使得移動機器人難以在同一條直線上正常行進，陷入局部最小點，并在該點停止或者保持震蕩狀態;其次，當目標點在障礙物影響范圍內移動，機器人會因為赤立場的影響，使得目標機器人在引力的作用下，無法正常前行，從而導致移動機器人在臨界點處停止或震蕩，從而無法達到目標點。最后，如果移動機器人環境中，存在多個障礙物并且以環狀形態分布，便可能讓移動機器人行進期間，走入局部最小點，從而停止或保持持續震蕩狀態。

針對以上狀態，需要加大移動機器人路徑行進研究，了解不同障礙物，對移動機器人的影響，測算影響距離，計算斥力和引力系數，在移動機器人行進期間的極值參數，分析移動機器人路徑規劃工作效果，并根據移動機器人行進表現調整數值參數，保證移動機器人在復雜環境下，可以在算法的支持下，進行路徑規劃，順利抵達目的地。規劃工作環境時，需要考慮到算法本身存在的問題，從移動機器人難以在規劃路徑下達到目標點發生的原因中，可以發現無論哪種形式導致的問題，都會因為移動機器人陷入局部最小點，從而使其行動停止或持續劇烈震蕩狀態，進行算法過程中，需要在實驗數據支持下，構建決路徑規劃模糊決策庫，收集移動機器人在復雜環境中無法順利行進到達目標點的數據，并對障礙物的聯通線加以分析，設立臨時目標點，計算機器人需要脫離局部極小點的參數，使用算法設計路徑規劃，縮小搜索空間范圍，提升搜索效率。

除此之外，可以根據移動環境，合理分析機器人內部系統，掌握算法工作表現，這樣可以在很大程度上，解決機器人在移動期間，進入局部極小范圍，從而陷入停止或是持續震蕩狀態的僵局。

本文將從當前機器人前進方向與障礙物位置之間的關系切入，優化路徑規劃算法，調整機器人移動運行方式，防止移動機器人在行進期間，因障礙物斥力的影響，進入局部最小范圍，從而出現停止或保持持續震動狀態，為了分析移動機器人工作，需要針對運行環境障礙物與目標點格局排布，設計機器人移動路徑，調整算法機制，通過具體實驗驗證算法是否具有可行性，使機器人可以在復雜的障礙環境下，按照路徑規劃，成功抵達目標點。

2 ?改變人工勢場法

人工勢場方法基本原理就是在環境地圖基礎上，構建虛擬立場，明確虛擬立場中的目標點，并通過實驗模擬移動機器人在引力場中受到引力后，向目標點移動期間的移動態勢，分析機器人撞擊障礙物后，存在的斥力場以及產生的斥力，分析移動機器人碰撞障礙物后的移動軌跡，明確算法的重點。計算引力、斥力的合力，從而優化算法，加強移動機器人對路徑規劃的控制力度。

2.1 前進方向向量

勢場法計算合力過程中，需要考慮到機器人在移動環境內，作為障礙物對移動機器人向目標點移動的影響，同時需要考慮前進方向移動期間，周圍自立場對算法的干擾，計算立場對行進軌道的干擾程度，并掌握移動機器人在立場中的受力情況，計算合力后需要思考移動范圍與行進路徑之間的關系，防止機器人在行進期間陷入局部最小點，從而停止或是保持持續震蕩狀態，同時需要改進算法，明確方向向量后，需要完善移動機器人工作機制，使機器人具備記憶能力，可以在撞擊障礙物后形成記憶效應，從而改變移動方向，避免機器人陷入局部極小點，無法正常移動到達目標點，向量的方向直接影響到機器人運行軌跡，使用下式計算機器人在碰到障礙物后，方向向量改變后的向量大小與方向，從而便能根據實驗結果，分析機器人行進，因路徑不平滑出現的問題，其中ρ（X，Xo）是機器人所處位置與障礙物間的歐幾里德距離，計算這部分內容時，需要了解歐幾里德距離規律，方向向量的模數會隨著距離的變化出現變動，當距離減小時，方向向量的模數隨之增大，反之亦然，計算前進向量過程中，目標點引力與方向向量所夾的角也需要重點對待，精確數值精度。

|derc|=|derc|×1/ρ（X，Xo）

2.2 改進斥力機制

分析人工勢場法中目標點難以根據路徑規劃內容，抵達目標點的實際情況后，需要分析力場在機器人移動環節中對其產生的影響，同時需要研究機器人路徑規劃內容，在實驗過程中，改變原有前進路徑，適當增加路徑距離，觀看機器人在立場中受到斥力影響后，在引力不足的情況下，是否可以根據路徑規劃內容到達目標點。根據移動機器人工作表現，思考移動機器人斥力條件以及限制因素，根據實驗數據計算障礙物有效碰撞范圍，計算碰撞半徑，根據碰撞半徑的大小，計算障礙物與機器人之間的影響范圍，圖1所示為機器人障礙物攔截分析圖。

2.3 判斷阻礙障礙物

機器人行進期間，會因為障礙物的阻攔影響到機器人行進軌跡，如果機器人運行過程中進入障礙地區，還會停止與保持震蕩狀態，從而無法達到目標點，所以需要研究機器人路徑規劃算法，計算目標點引力與活動區間存在的力場，掌握力場機器人與障礙物之間的斥力與引力，計算合力數值，分析機器人受到合力作用后的運行軌跡，以及是否可以順利到達目標點。

分析機器人運行軌跡過程中，應該考慮到運行環節存在的障礙物，對機器人移動的影響，并根據假設結果，設定虛擬目標點，計算機器人在力場中受到的合力，逐步調整算法，改變參數，觀察機器人在不同合力作用下的移動軌跡，防止機器人在行進過程中，再次出現停止或者持續震蕩的狀態。

經過研究后，發現連障礙物組Xos成員數量2為臨界點，如果數量大于2機器人行進便不存在在陷阱區域的情況，一旦數量小于2，機器人便容易進入最小數值點，因為運行停止或保持持續震蕩狀態，無法到達目標地點。

3 ?流程設計

規劃計算機行進路徑規劃工作時，需要重點圍繞地圖環境處理與算法這兩部分內容展開進行論述，機器人在行進過程中，所處環境的實際狀況多種多樣，機器人在此過程中會因為不規則障礙物，影響自身行進軌跡，計算機器人與障礙物之間的碰撞范圍，精確碰撞半徑后，計算力場存在的斥力與引力，從而根據不同環境下，障礙物存在格局，計算有效碰撞半徑，處理地圖環境工作，進一步優化計算機路徑行進算法。除此之外，需要重視算法設計工作，改進人工勢場法算法內容，在初始化完成后，需要設置初始位置、目標重點位置，計算障礙物影響范圍，以及障礙物碰撞半徑，明確障礙物影響范圍，設立虛擬目標點，測算障礙物與機器人當前距離，判斷數組Xos成員數量，計算虛擬目標點與機器人之間的引力、斥力，確定機器人移動是否可以達到目標點。

4 ?結語

人工勢場法在路徑規劃過程中存在問題，容易進入局部最小點，陷入障礙區，無法在障礙環境中順利行進，為了解決人工勢場法機器人路徑規劃存在的問題，本文引入方向向量，并以as-r移動機器人為例，降低人工勢場法路徑規劃設計存在的不良影響，掌握移動環境情況，明確虛擬目標點，防止機器人進入陷阱區域。

參考文獻：

[1]貝前程，劉海英，張紹杰，裴云成.基于改進傳統人工勢場法的機器人避障和路徑規劃研究[J/OL].齊魯工業大學學報，2019（06）：53-58[2020-02-11].

[2]祁永強，李帥，李忠杰.基于改進人工勢場法的井下救援機器人的路徑規劃研究[J].徐州工程學院學報（自然科學版），2019，34（04）：32-37.

[3]趙文瑜，彭程.人工勢場法路徑規劃的差分進化參數優化研究[J].現代計算機，2019（31）：3-5，20.

基金項目：2019年湖南省教育廳科學研究項目“面向時間與能耗的智能制造系統中6R機器人軌跡規劃技術研究”（課題批準號：19C0018）。

作者簡介：吳云鋒（1979-），男，湖南長沙人，講師，學士，研究方向為制造技術;諶僑（1990-），男，湖南益陽人，講師，碩士，研究方向為智能制造。