人工勢場法路徑規划簡述(無人機,機器人,路徑規划,尋路算法)


概念簡述:

人工勢場法路徑規划基本思想是將機器人在周圍環境中的運動,設計成一種抽象的人造引力場中的運動,目標點對移動機器人產生“引力”,障礙物對移動機器人產生“斥力”,最后通過求合力來控制移動機器人的運動。應用勢場法規划出來的路徑一般是比較平滑並且安全,但是這種方法存在局部最優點問題。

這算法要求障礙物最好是規則的,否則算法的計算量將很大,有時甚至是無法計算的。但是,從另一個方面來看,由於人工勢場法在數學描述上簡潔、美觀,這種方法仍然具有很大的吸引力的。其內在的局限性主要表現在,即當目標附近有障礙物時,移動機器人將永遠也到達不了目的地。

在以前的許多研究中,目標和障礙物都離的很遠,當機器人逼近目標時,障礙物的斥力變的很小,甚至可以忽略,機器人將只受到吸引力的作用而直達目標。但在許多實際環境中,往往至少有一個障礙物與目標點離的很近,在這種情況下,當移動機器人逼近目標的同時,它也將向障礙物靠近,如果利用以前對引力場函數和斥力場函數的定義,斥力將比引力大的多,這樣目標點將不是整個勢場的全局最小點,因此移動機器人將不可能到達目標。這樣就存在局部最優解的問題,因此如何設計“引力場”問題就成為該方法的關鍵。

 

 

算法實例 

 

人工勢場法路徑規划一般用在局部場景計算,全局場景計算路徑規划一般不選擇使用。

 

延申知識:

機器人路徑規划分類

1.全局路徑規划(環境完全已知)

2.局部路徑規划(環境未知或部分未知,通過感知實時獲取環境信息)

另外環境又分靜態與動態,所以任何路徑規划問題均可細分為如下四類之一:

1)全局靜態環境路徑規划:構型空間法,自由空間法,柵格法(區別在於環境建模的方法不同)

構型空間法——將機器人作為質點,根據機器人的大小與姿態,將障礙物的形狀向外擴展形成構型空間,然后質點在構型空間中進行搜索

自由空間法——采用預定義的基本形體,構造自由空間,並將自由空間表示為圖結構,進行圖搜索,構造空間圖的時間復雜度很大

柵格法——顧名思義,環境被離散為一系列網格單元,場景的復雜度由網格表示,按照網格內是否有障礙物,標記為自由區和障礙區
2)全局動態環境路徑規划
3)局部靜態環境路徑規划:人工勢場法,基於模糊邏輯的路徑規划,基於遺傳算法的路徑規划

人工勢場法——目標地對機器人有引力,障礙物對機器人又斥力,環境中任何一點勢力為引力與斥力的疊加,機器人從初始位置開始,沿着勢場下降最快的方向達到目標點。特點:(優:便於實時控制;缺:容易陷入局部最優,導致運動死鎖發生,解決辦法是廣義勢場法,逃脫算法)

基於模糊邏輯的路徑規划——顧名思義,基於多傳感器信息的模糊邏輯,來模擬人駕駛規則,特點:(優:魯棒性,適合未知,動態環境的路徑規划;缺:障礙物增多,計算量很大)深入理解需查閱相關文獻

基於遺傳算法的路徑規划——遺傳算法有利於尋找全局最優點而非陷入局部最優,但是速度慢,解決辦法是遺傳模擬退火算法,抑制早熟

4)局部動態環境路徑規划

機器人路徑規划模型分類:1.傳統模型,基於功能的要求,按照自頂向下的方式建立的。其規划過程按照“感知-建模-規划-行動”的順序進行,是一種典型的慎思結構,穩定但缺乏應變能力;2.基於行為的路徑規划模型,該模型將路徑規划分解為獨立模塊如,避障,跟蹤等,這些行為模塊通過彼此的協調和競爭,共同完成導航任務優缺點與1剛好相反。


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