移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃是機(jī)器人應(yīng)用中的一項(xiàng)重要技術(shù),例如,在執(zhí)行裝配、焊接及搶險(xiǎn)救災(zāi)等任務(wù)時(shí),采用良好的機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)可以節(jié)省大量機(jī)器人作業(yè)時(shí)間、減少機(jī)器人磨損,同時(shí)也可以節(jié)約人力資源,減小資金投入,為機(jī)器人在多種行業(yè)中的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。機(jī)器人的路徑規(guī)劃問(wèn)題是現(xiàn)代機(jī)器人控制領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題，機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中常會(huì)處在無(wú)法事先預(yù)知的變化環(huán)境，目前許多的研究采用基于傳感器的局部路徑規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人在動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中導(dǎo)航與避障。具體方法有: 人工勢(shì)場(chǎng)法、柵格法、模糊邏輯法等。人工勢(shì)場(chǎng)法把移動(dòng)機(jī)器人在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)視為一種在抽象的人造受力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),目標(biāo)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生“引力”,障礙物對(duì)移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生“斥力”,最后通過(guò)求合力來(lái)控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。但是,由于人工勢(shì)場(chǎng)法把所有信息壓縮為單個(gè)合力,這樣就存在把有關(guān)障礙物分布的有價(jià)值的信息拋棄的缺陷,且易陷入局部最小值。柵格法將機(jī)器人的工作空間劃分為多個(gè)簡(jiǎn)單的區(qū)域,一般稱為柵格。由這些柵格構(gòu)成了一個(gè)連通圖,在這個(gè)連通圖上搜索一條從起始柵格到目標(biāo)柵格的路徑,這條路徑是用柵格的序號(hào)來(lái)表示的。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)柵格表示法進(jìn)行了大量的研究工作,但對(duì)于在密集障礙物環(huán)境中如何提高移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)性的問(wèn)題尚未解決。模糊邏輯法是在線規(guī)劃中通常采用的一種規(guī)劃方法,包括建模和局部規(guī)劃。該方法在環(huán)境未知或發(fā)生變化的情況下,能夠快速而準(zhǔn)確地規(guī)劃?rùn)C(jī)器人路徑,對(duì)于要求有較少路徑規(guī)劃時(shí)間的機(jī)器人是一種很好導(dǎo)航方法。但是,其缺點(diǎn)是當(dāng)障礙物的數(shù)目增加時(shí),該方法的計(jì)算量會(huì)很大,影響規(guī)劃結(jié)果。本文在文獻(xiàn)[1]所提出的滾動(dòng)優(yōu)化方法基礎(chǔ)上,運(yùn)用雙模糊協(xié)調(diào)控制模糊邏輯推理來(lái)研究動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境下自主移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃,解決了自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和避障問(wèn)題,較好地實(shí)現(xiàn)了不確定環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)滾動(dòng)路徑規(guī)劃和控制。

⑴輸入輸出變量的模糊化

    機(jī)器人到左側(cè)障礙、右側(cè)障礙和前方障礙的距離用模糊語(yǔ)言變量DL、DF、DR表示,機(jī)器人前方與目標(biāo)點(diǎn)的夾角為θ。DL、DF、DR的模糊子集確定為{close, med, far}分別表示近、中和遠(yuǎn),根據(jù)變換公式: ｙ=4ｘ/(ｂ-ａ) 可將超聲傳感器距離作用范圍 〔ａ,ｂ〕轉(zhuǎn)換成為〔1,5〕區(qū)間內(nèi),這里ａ=0.5ｍ, ｂ=2.5ｍ。設(shè)定DL 、DF 、DR的論域?yàn)閧1,2,3,4,5}，定義隸屬度如圖2 所示。根據(jù)機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)的關(guān)系,當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)位于移動(dòng)機(jī)器人右側(cè), 令θ為正; 當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)位于移動(dòng)機(jī)器人左側(cè),令θ為負(fù)。θ的模糊子集確定為 {n, z, p} 分別表示負(fù)、零、正。根據(jù)同樣變換公式變換后,θ的論域?yàn)椤?2,2〕區(qū)間內(nèi),其中ａ=-π/2, ｂ=π/2,其隸屬度見(jiàn)圖3。

⑵　　建立模糊控制規(guī)則

    第I個(gè)模糊子控制器稱為避碰行為控制器，以障礙物與機(jī)器人的距離為輸入變量,以移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)下一局部目標(biāo)速度V和下一步的角度Φ為輸出變量。 通過(guò)建立被控對(duì)象的模糊模型來(lái)實(shí)現(xiàn)-----即用建立模糊控制規(guī)則一樣的“if-then ”形式來(lái)描述被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。模糊規(guī)則如下:

1. if  DL  is close  and  DF  is close  and  DR  is close  then V is slow  and Φ=p

2. if  DL  is med  and  DF  is close  and  DR  is close  then V is slow  and Φ= n

3. if  DL  is far  and  DF  is med  and  DR  is far  then V is med  andΦ= z

4. if  DL  is far  and  DF  is far  and  DR  is close  then V is med  andΦ= n

5. if  DL  is close  and  DF  is far  and  DR  is far then V is med and Φ= p

6. if  DL  is far  and  DF  is far and  DR  is far then V is fast and Φ= z

同理第Ⅱ個(gè)模糊子控制器稱為接近目標(biāo)行為控制器，以轉(zhuǎn)向角、機(jī)器人到目標(biāo)點(diǎn)之間的距離為輸入變量,同樣以移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)下一局部目標(biāo)速度V和下一步的角度Φ為輸出變量。

⑶.精確化計(jì)算

由模糊控制推理得出的模糊輸出是一個(gè)模糊子集,它無(wú)法對(duì)機(jī)器人直接作用,必須精確化計(jì)算得出最具代表性的確定值作為系統(tǒng)的控制輸出。采用重心法進(jìn)行計(jì)算，可得到精確的移動(dòng)機(jī)器人的速度控制量和角度控制量。

上面兩個(gè)模糊子控制器的輸出變量都是機(jī)器人下一步行動(dòng)的期望速度和轉(zhuǎn)角。可實(shí)際運(yùn)行時(shí),必須根據(jù)機(jī)器人所處的環(huán)境,在兩個(gè)模糊子控制器中的行動(dòng)決策進(jìn)行融合出一個(gè)輸出給控制器執(zhí)行。根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)機(jī)器人接近障礙物時(shí)，機(jī)器人的主要任務(wù)是避障，第I個(gè)模糊子控制器的控制作用強(qiáng)，而第Ⅱ個(gè)模糊控制器的控制作用弱。當(dāng)機(jī)器人遠(yuǎn)離障礙物時(shí)機(jī)器人的主要任務(wù)變?yōu)榻咏繕?biāo)行為，第Ⅱ個(gè)模糊子控制器起主要作用，而第I個(gè)模糊控制器的控制作用弱。因此本文提出用一個(gè)協(xié)調(diào)器來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)模糊控制器各自輸出的權(quán)值, 取μ_I =β，μ_Ⅱ=1-β。則系統(tǒng)的控制量為V=βV _I +（1-β）V_Ⅱ。β可以取為機(jī)器人與前方障礙物的距離的倒數(shù)。角度Φ的計(jì)算也同理可得。

運(yùn)用上述原理, 進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),如圖6所示, 機(jī)器人起點(diǎn)Ｓ(0, 0), 方向垂直向上,終點(diǎn)Ｇ(0, 20),障礙物形狀規(guī)則。最后的仿真結(jié)果表明移動(dòng)機(jī)器人能安全避開(kāi)障礙物，從起點(diǎn)出發(fā)成功地移動(dòng)到終點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的有效性和可行性。

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