專利名稱：一種移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，尤其是一種移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)主要包括導(dǎo)航和定位技術(shù)、傳感器技術(shù)及其信息融合、軌跡跟蹤 技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、基于地理信息系統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)、多體協(xié)作與交互技術(shù)、仿生學(xué)技術(shù)等。 其中，路徑規(guī)劃技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)中不可缺少的重要組成部分，它要求機(jī)器人根 據(jù)給予的指令及環(huán)境信息自主地決定路徑，避開障礙物，實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)。路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī) 器人完成任務(wù)的安全保障，同時(shí)也是移動(dòng)機(jī)器人智能化程度的重要標(biāo)志。尤其是在機(jī)器人 硬件系統(tǒng)的精度在短期內(nèi)不能得到解決的情況下，對(duì)路徑規(guī)劃方法的研究顯得尤為重要， 這將從根本上改變移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航性能，將提高移動(dòng)機(jī)器人的智力水平，減少移動(dòng)機(jī)器 人在移動(dòng)過程中存在的不確定狀態(tài)，提高移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)的速度及靈活性，為開發(fā)高智能 的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)機(jī)器人、探測(cè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，路徑規(guī)劃技術(shù)的研 究也對(duì)自動(dòng)控制、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生了很大的推動(dòng)作用。移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃不但是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，也是人工智能與機(jī)器 人學(xué)的重要結(jié)合點(diǎn)。路徑規(guī)劃分為全局路徑規(guī)劃問題和局部路徑規(guī)劃問題，所謂全局路徑 規(guī)劃指的是機(jī)器人預(yù)先掌握全部環(huán)境信息，找到一個(gè)全局最小值就找到了最佳路徑。局部 路徑規(guī)劃問題則更為復(fù)雜，它是一種更為接近現(xiàn)實(shí)狀況的路徑規(guī)劃問題，指的是機(jī)器人僅 能知曉局部環(huán)境信息，只能邊移動(dòng)邊規(guī)劃，常常進(jìn)入一個(gè)局部封閉環(huán)境導(dǎo)致無法進(jìn)行路徑 規(guī)劃，例如陷入了 U形區(qū)域，這表現(xiàn)在路徑規(guī)劃方法上就是局部極小問題。近年來有關(guān)機(jī)器人路徑規(guī)劃的文獻(xiàn)日益增多，與20世紀(jì)80年代研究初期相比，無 論是在研究的深度還是廣度上都有了巨大的發(fā)展，初步形成了理論、算法和應(yīng)用的多方位 研究。模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能算法的應(yīng)用解決了部分傳統(tǒng)方法無法解決的路 徑規(guī)劃問題。但目前智能算法在機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用也受到了很大的局限，如神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)局限于環(huán)境的建模和認(rèn)知，模糊邏輯應(yīng)用于復(fù)雜未知?jiǎng)討B(tài)環(huán)境中時(shí)，模糊規(guī)則較難提取 等，尤其目前還沒有能夠完美解決局部極小問題的路徑規(guī)劃方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種基于人工免疫網(wǎng)絡(luò)的 移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法，其能夠在復(fù)雜的環(huán)境下解決移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃的局部極 小問題。本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。一種移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法，步驟包括
A.確定機(jī)器人移動(dòng)的目標(biāo)；設(shè)定機(jī)器人的傳感器數(shù)目和機(jī)器人的可前進(jìn)方向數(shù)目；
B.機(jī)器人檢測(cè)周圍的環(huán)境信息；
C.根據(jù)所述目標(biāo)、環(huán)境信息、機(jī)器人的傳感器數(shù)目和機(jī)器人的可前進(jìn)方向數(shù)目定義所
3述路徑規(guī)劃方法與人工免疫網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系；所述環(huán)境信息定義為抗原，所述機(jī)器人的可 前進(jìn)方向定義為抗體，求解所述機(jī)器人的可前進(jìn)方向的控制機(jī)制定義為濃度方程，所述機(jī) 器人的可前進(jìn)方向與所述目標(biāo)的方向一致定義為刺激，所述機(jī)器人的可前進(jìn)方向與所述目 標(biāo)的方向偏離定義為抑制；
D.根據(jù)所述人工免疫網(wǎng)絡(luò)的濃度方程求解所述人工免疫網(wǎng)絡(luò)的最大濃度，所述最大濃 度對(duì)應(yīng)的抗體為機(jī)器人的前進(jìn)方向；
E.所述機(jī)器人的前進(jìn)方向與所述目標(biāo)的方向的夾角小于90°時(shí)，機(jī)器人沿所述機(jī)器 人的前進(jìn)方向前進(jìn)一步，前進(jìn)一步后，當(dāng)機(jī)器人未滿足終止條件時(shí)，進(jìn)行步驟B ；
所述機(jī)器人的前進(jìn)方向與所述目標(biāo)的方向的夾角大于等于90°時(shí)，隨機(jī)設(shè)定虛擬目 標(biāo)，以所述虛擬目標(biāo)的方向代替所述目標(biāo)的方向進(jìn)行步驟B、C和D，求解機(jī)器人的前進(jìn)方 向，機(jī)器人沿所述機(jī)器人的前進(jìn)方向前進(jìn)一步，前進(jìn)一步后，當(dāng)機(jī)器人未滿足終止條件時(shí)， 進(jìn)行步驟B。優(yōu)選的，所述環(huán)境信息包括所述目標(biāo)的方向角、傳感器的方向角，以及傳感器與傳 感器所在方向的障礙物之間的距離三個(gè)數(shù)據(jù)，這三個(gè)數(shù)據(jù)組成一個(gè)抗原。另一優(yōu)選的，當(dāng)機(jī)器人設(shè)置有I個(gè)傳感器時(shí)，第^/個(gè)傳感器的方向角 另一優(yōu)選的，當(dāng)所述機(jī)器人的可前進(jìn)方向?yàn)?個(gè)時(shí)，第i個(gè)可前進(jìn)方向 本發(fā)明的移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法使用了用于機(jī)器人行為控制的人工免疫網(wǎng) 絡(luò)模型，建立了人工免疫網(wǎng)絡(luò)模型與機(jī)器人路徑規(guī)劃方法之間的映射關(guān)系，為人工免疫網(wǎng) 絡(luò)用于機(jī)器人路徑規(guī)劃問題奠定了基礎(chǔ)。本發(fā)明的移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法采用人工免 疫網(wǎng)絡(luò)模型，引入了人工免疫網(wǎng)絡(luò)模型的隨機(jī)性因素，當(dāng)遇到局部極小值問題的時(shí)候借助 隨機(jī)的因素可以走出死胡同，在具有局部極小問題的復(fù)雜障礙物環(huán)境下可以到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)， 在存在復(fù)雜障礙物環(huán)境下本發(fā)明的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法是可行和有效的，在U型障礙 物環(huán)境下的仿真結(jié)果進(jìn)一步說明了本文方法在復(fù)雜環(huán)境下規(guī)劃結(jié)果的高效性。


利用附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但附圖中的內(nèi)容不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的移動(dòng)機(jī)器人、目標(biāo)和障礙物的模型示意圖。圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在具有局部極小問題的復(fù)雜障礙物環(huán)境下的仿真結(jié) 果示意圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)的人工勢(shì)場(chǎng)路徑規(guī)劃方法在具有局部極小問題的復(fù)雜障礙物環(huán) 境下的仿真結(jié)果示意圖。圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在U形障礙物環(huán)境下的仿真結(jié)果示意圖。圖5是現(xiàn)有技術(shù)的人工勢(shì)場(chǎng)路徑規(guī)劃方法在U形障礙物環(huán)境下的仿真結(jié)果示意 圖。
附圖標(biāo)記
目標(biāo)10，障礙物11，機(jī)器 人13，傳感器14，機(jī)器人的正方向15。
具體實(shí)施例方式結(jié)合以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照?qǐng)D1的模型說明本發(fā)明的移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法一個(gè)實(shí)施例，該方法包 括如下的步驟。A.確定機(jī)器人13移動(dòng)的目標(biāo)10 ；設(shè)定機(jī)器人13的傳感器14的數(shù)目I和機(jī)器人 13的可前進(jìn)方向數(shù)目見傳感器14是機(jī)器人13配置的硬件設(shè)備，按照機(jī)器人13圓周360°均勻布置I個(gè)。 因此，第J'個(gè)傳感器&的方向角 機(jī)器人13的可前進(jìn)方向是根據(jù)機(jī)器人13的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可轉(zhuǎn)動(dòng)角度設(shè)置，執(zhí)行機(jī) 構(gòu)的精度越高，可前進(jìn)方向的數(shù)目越多。對(duì)于預(yù)定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說，機(jī)器人13的可前進(jìn)方 向數(shù)目#是固定的。當(dāng)所述機(jī)器人13的可前進(jìn)方向?yàn)?個(gè)時(shí)，第i個(gè)可前進(jìn)方向的方向角B.機(jī)器人13檢測(cè)周圍的環(huán)境信息J&，檢測(cè)功能由I個(gè)傳感器14完成，獲得的環(huán) 境信息包括目標(biāo)10與機(jī)器人的正方向15的夾角(即目標(biāo)10的方向角)，每個(gè)傳感器14 的方向與機(jī)器人的正方向15的夾角(傳感器14的方向角)，以及每個(gè)傳感器14與傳感器14 所在方向的障礙物11的距離。例如圖1中，目標(biāo)10的方向角為
傳感器5}的方向角為
&s ,在傳感器&的方向上，傳感器5}與障礙物11的距離為dj0C.根據(jù)所述目標(biāo)10、環(huán)境信息J&、機(jī)器人13的傳感器14數(shù)目和機(jī)器人13的可 前進(jìn)方向數(shù)目定義所述路徑規(guī)劃方法與人工免疫網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系；所述環(huán)境信息定義 為抗原，所述機(jī)器人13的可前進(jìn)方向定義為抗體，求解所述機(jī)器人13的可前進(jìn)方向的控制 機(jī)制定義為濃度方程，所述機(jī)器人13的可前進(jìn)方向與所述目標(biāo)10的方向一致定義為刺激， 所述機(jī)器人13的可前進(jìn)方向與所述目標(biāo)10的方向偏離定義為抑制。其中，所述環(huán)境信息包括所述目標(biāo)10的方向角^、傳感器14的方向角·，以
及每個(gè)傳感器14與傳感器14所在方向的障礙物11的距離Clj三個(gè)數(shù)據(jù)，這三個(gè)數(shù)據(jù)組成 一個(gè)抗原。
D.根據(jù)所述人工免疫網(wǎng)絡(luò)的濃度方程求解所述人工免疫網(wǎng)絡(luò)的最大濃度，所述最大濃 度對(duì)應(yīng)的抗體為機(jī)器人13的前進(jìn)方向。當(dāng)機(jī)器人13的前進(jìn)方向確定之后，機(jī)器人13旋轉(zhuǎn) 自身，將機(jī)器人的正方向15轉(zhuǎn)到機(jī)器人13的前進(jìn)方向，然后沿機(jī)器人的正方向15移動(dòng)。因 此，每次機(jī)器人13的前進(jìn)方向均為機(jī)器人的正方向15。 E.所述機(jī)器人13的前進(jìn)方向與所述目標(biāo)10的方向的夾角小于90°時(shí)，機(jī)器人13沿所述機(jī)器人13的前進(jìn)方向前進(jìn)一步，前進(jìn)一步后，當(dāng)機(jī)器人13未滿足終止條件時(shí)，進(jìn)行 步驟B ；
所述機(jī)器人13的前進(jìn)方向與所述目標(biāo)10的方向的夾角大于等于90°時(shí)，隨機(jī)設(shè)定虛 擬目標(biāo)，以所述虛擬目標(biāo)的方向代替所述目標(biāo)10的方向進(jìn)行步驟B、C和D，求解機(jī)器人13 的前進(jìn)方向，機(jī)器人13沿所述機(jī)器人13的前進(jìn)方向前進(jìn)一步，前進(jìn)一步后，當(dāng)機(jī)器人13未 滿足終止條件時(shí)，進(jìn)行步驟B。在機(jī)器人路徑規(guī)劃方法中終止條件一般指的是機(jī)器人13與目標(biāo)10之間的距離小 于一個(gè)值，例如小于機(jī)器人13的半徑或者直徑，這個(gè)終止條件一般根據(jù)機(jī)器人13本身的大
小來確定。根據(jù)圖2和圖3對(duì)比，在具有局部極小問題的路徑規(guī)劃中，圖2采用本發(fā)明的路徑 規(guī)劃方法的移動(dòng)機(jī)器人13能夠穿越復(fù)雜障礙物11，成功到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)10。圖3采用現(xiàn)有技術(shù) 人工勢(shì)場(chǎng)路徑規(guī)劃方法的移動(dòng)機(jī)器人13無法解決局部極小問題，不能繼續(xù)進(jìn)行路徑規(guī)劃。根據(jù)圖4和圖5對(duì)比，在具有U形障礙物的環(huán)境的路徑規(guī)劃中，圖2采用本發(fā)明的 路徑規(guī)劃方法的移動(dòng)機(jī)器人13能夠自行脫離U形障礙物11，成功到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)10。圖5采 用現(xiàn)有技術(shù)人工勢(shì)場(chǎng)路徑規(guī)劃方法的移動(dòng)機(jī)器人13無法解決繼續(xù)進(jìn)行路徑規(guī)劃，不能達(dá) 到目標(biāo)點(diǎn)10。最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明保護(hù) 范圍的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理 解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和 范圍。
權(quán)利要求
一種移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟包括A.確定機(jī)器人移動(dòng)的目標(biāo)；設(shè)定機(jī)器人的傳感器數(shù)目和機(jī)器人的可前進(jìn)方向數(shù)目；B.機(jī)器人檢測(cè)周圍的環(huán)境信息；C.根據(jù)所述目標(biāo)、環(huán)境信息、機(jī)器人的傳感器數(shù)目和機(jī)器人的可前進(jìn)方向數(shù)目定義所述路徑規(guī)劃方法與人工免疫網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系；所述環(huán)境信息定義為抗原，所述機(jī)器人的可前進(jìn)方向定義為抗體，求解所述機(jī)器人的可前進(jìn)方向的控制機(jī)制定義為濃度方程，所述機(jī)器人的可前進(jìn)方向與所述目標(biāo)的方向一致定義為刺激，所述機(jī)器人的可前進(jìn)方向與所述目標(biāo)的方向偏離定義為抑制；D.根據(jù)所述人工免疫網(wǎng)絡(luò)的濃度方程求解所述人工免疫網(wǎng)絡(luò)的最大濃度，所述最大濃度對(duì)應(yīng)的抗體為機(jī)器人的前進(jìn)方向；E.所述機(jī)器人的前進(jìn)方向與所述目標(biāo)的方向的夾角小于90°時(shí)，機(jī)器人沿所述機(jī)器人的前進(jìn)方向前進(jìn)一步，前進(jìn)一步后，當(dāng)機(jī)器人未滿足終止條件時(shí)，進(jìn)行步驟B；所述機(jī)器人的前進(jìn)方向與所述目標(biāo)的方向的夾角大于等于90°時(shí)，隨機(jī)設(shè)定虛擬目標(biāo)，以所述虛擬目標(biāo)的方向代替所述目標(biāo)的方向進(jìn)行步驟B、C和D，求解機(jī)器人的前進(jìn)方向，機(jī)器人沿所述機(jī)器人的前進(jìn)方向前進(jìn)一步，前進(jìn)一步后，當(dāng)機(jī)器人未滿足終止條件時(shí)，進(jìn)行步驟B。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述環(huán)境信息包 括所述目標(biāo)的方向角、傳感器的方向角，以及傳感器與傳感器所在方向的障礙物之間的距 離三個(gè)數(shù)據(jù)，這三個(gè)數(shù)據(jù)組成一個(gè)抗原。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法，其特 征在于，當(dāng)機(jī)器人設(shè)置有I個(gè)傳感器時(shí)，第J·個(gè)傳感器的方向角
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，當(dāng)所述機(jī)器人的可前進(jìn)方向?yàn)?個(gè)時(shí)，第i個(gè)可前進(jìn)方向
全文摘要
一種移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法，步驟包括A.確定機(jī)器人移動(dòng)的目標(biāo)；設(shè)定機(jī)器人的傳感器數(shù)目和機(jī)器人的可前進(jìn)方向數(shù)目；B.機(jī)器人檢測(cè)周圍的環(huán)境信息；C.定義所述路徑規(guī)劃方法與人工免疫網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系；D.求解所述人工免疫網(wǎng)絡(luò)的最大濃度，所述最大濃度對(duì)應(yīng)的抗體為機(jī)器人的前進(jìn)方向。本發(fā)明的移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法在具有局部極小問題的復(fù)雜障礙物環(huán)境下可以到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，在存在復(fù)雜障礙物環(huán)境下本發(fā)明的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法是可行和有效的，在U型障礙物環(huán)境下的仿真結(jié)果進(jìn)一步說明了本文方法在復(fù)雜環(huán)境下規(guī)劃結(jié)果的高效性。
文檔編號(hào)G05D1/03GK101887271SQ201010230039
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者胡選子, 謝存禧, 賀定修 申請(qǐng)人:東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院