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1、 2.什 么 是 路 徑 規(guī) 劃3.路 徑 規(guī) 劃 的 常 用 方 法 4.人 工 勢(shì) 場(chǎng) 法 1.災(zāi) 難 救 援 機(jī) 器 人 研 究 現(xiàn) 狀 1.1日本的研究l 2002年開始, 日本文化科學(xué)部確立了“ 大都市大震災(zāi)減災(zāi)特別計(jì)劃” 的研究計(jì)劃,進(jìn)一步開發(fā)在地震中使用的救援機(jī)器人。 研發(fā)內(nèi)容包括用于觀察災(zāi)難環(huán)境的機(jī)器人系統(tǒng)、傳感技術(shù)、人類接口技術(shù)和系統(tǒng)集成l川崎市為該項(xiàng)目建立了公用試驗(yàn)場(chǎng)地,并建立了國(guó)際救援系統(tǒng)研究所。l目的是實(shí)現(xiàn)在非常困難的大規(guī)模災(zāi)害救援活動(dòng)中, 即使是在混亂中也能對(duì)進(jìn)行情報(bào)收集和判斷, 根據(jù)災(zāi)害狀況進(jìn)行最優(yōu)的救助。l計(jì)劃中主要研究工作有對(duì)機(jī)器人、智能傳感器、攜帶終端裝置和人

2、機(jī)接口等進(jìn)行研究開發(fā), 進(jìn)行能動(dòng)地、智能地情報(bào)收集, 用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行情報(bào)的傳遞、匯總和歸納等。 1.1日本的研究l 日本東京工業(yè)大學(xué)的廣獺是最早從事救援機(jī)器人研究的學(xué)者之一, 從仿生的角度和基于超機(jī)械系統(tǒng)的思想先后研制了多系列救援機(jī)器人樣機(jī)。 1.1日本的研究l一些大公司也介入了救援機(jī)器人的研究和開發(fā), 他們通常采用與研究所或和大學(xué)進(jìn)行合作的形式進(jìn)行研究, 一方面企業(yè)為研究所提供必要的研究資金和試驗(yàn)場(chǎng)地, 同時(shí)企業(yè)還為研究成果的產(chǎn)品化提供通往市場(chǎng)的橋梁l 如圖所示的五種機(jī)器人分別為東芝、三菱重工等公司研制。 1.2美國(guó)的研究l“ 9.11” 事件后, 災(zāi)難救援機(jī)器人技術(shù)在美國(guó)日益受到重視。“9.1

3、1 ” 事件的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)救援認(rèn)為是災(zāi)難救援機(jī)器人的第一次實(shí)際應(yīng)用。l在紐約世界貿(mào)易中心遭到恐怖襲擊發(fā)生后幾小時(shí), 美國(guó)“ 機(jī)器人輔助搜救中心” 應(yīng)紐約市緊急事務(wù)管理辦公室要求, 立即組織了一支由機(jī)器人專家和生產(chǎn)廠家技術(shù)人員構(gòu)成的隊(duì)伍。 1.3中國(guó)的研究l提出圍繞奧運(yùn)會(huì)和世博會(huì)的安保工作, 研發(fā)我國(guó)的立體安全保衛(wèi)裝備系統(tǒng)的建議， 具體是研究開發(fā)適用于地面、墻面、涵道的先進(jìn)探測(cè)機(jī)器人、超小型飛行器、淺水潛游探測(cè)機(jī)器人, 形成能對(duì)奧運(yùn)會(huì)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館、世博會(huì)的會(huì)展現(xiàn)場(chǎng)以及重要設(shè)施和場(chǎng)所進(jìn)行全方位立體的危險(xiǎn)品探測(cè)以及對(duì)重要場(chǎng)所進(jìn)行立體應(yīng)急處理安全保衛(wèi)裝備系統(tǒng)。 l在863計(jì)劃資助下, 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研

4、究所開展了多項(xiàng)危險(xiǎn)作業(yè)和極限作業(yè)機(jī)器人研究,其中救援機(jī)器人是重要的一個(gè)部分。 1.3其它國(guó)家的研究l意大利羅馬大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)與工程學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了“ 救援工程” l 加拿大國(guó)防部從國(guó)防安全的角度制定了救援機(jī)器人研究計(jì)劃l 英國(guó)、伊朗等國(guó)也涌現(xiàn)了許多救援機(jī)器人研究者和救援機(jī)器人比賽的參與者 1.4 災(zāi)難救援機(jī)器人關(guān)鍵性能救援機(jī)器人的關(guān)鍵性能主要有以下幾個(gè)方面: l存活能力l運(yùn)動(dòng)能力l感知能力l通訊能力l作業(yè)能力。 1.4 災(zāi)難救援機(jī)器人關(guān)鍵性能存活能力:l 救援機(jī)器人的存活能力主要是機(jī)器人本體的可靠性、耐用性和適應(yīng)性問(wèn)題。災(zāi)難后環(huán)境中存在毒氣、毒液、生化、放射性、非常溫和二次倒塌等危險(xiǎn),

5、機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)特別重要。在溫度方面,災(zāi)難后環(huán)境存在高溫可能, 機(jī)器人本體必須能夠克服條件的影響, 設(shè)計(jì)時(shí)在材質(zhì)的選擇上需要進(jìn)行周密的考慮。l在救援機(jī)器人的能源供給方面, 需要采用有線和無(wú)線相結(jié)合的方式, 以保障救援機(jī)器人足夠的動(dòng)力和工作時(shí)間。l應(yīng)該具有自適應(yīng)能力, 具有預(yù)見(jiàn)能力。它們應(yīng)該能適應(yīng)環(huán)境, 適合完成挑戰(zhàn)性的工作, 并且具有智能以至于能夠應(yīng)對(duì)由各種不穩(wěn)定和不確定的因素所引起的干擾。 1.4 災(zāi)難救援機(jī)器人關(guān)鍵性能運(yùn)動(dòng)能力:l災(zāi)難救援環(huán)境對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力要求較高,機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)十分重要。l機(jī)器人必須不斷地翻越各種垂直的障礙物, 平臺(tái)的穩(wěn)定性和自調(diào)整能力很重要, 要盡可能避免由從高度

6、墜下而將機(jī)器人摔碎。目前解決這些困難的方法是設(shè)計(jì)一種蛇形機(jī)構(gòu), 這種機(jī)構(gòu)已被證實(shí)是有效的搜救機(jī)構(gòu)之一。l災(zāi)難后環(huán)境存在松軟的灰土地面、由于消防用水或漏水導(dǎo)致的泥濘路面及坎坷不平的廢墟地面等多種地面地形, 機(jī)器人必須具有高度的地面適應(yīng)性能, 在輪式、履帶式和腿式等移動(dòng)機(jī)構(gòu)當(dāng)中,履帶、輪、腿復(fù)合的復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)將被廣泛采用。 1.4 災(zāi)難救援機(jī)器人關(guān)鍵性能感知能力:l對(duì)救援機(jī)器人而言, 救援機(jī)器人的傳感器是最脆弱的元件, 它主要有三個(gè)方面的傳感要求對(duì)機(jī)器人的控制、對(duì)環(huán)境的檢測(cè)和對(duì)遇難者的發(fā)現(xiàn)。l機(jī)器人的控制方面, 為了讓機(jī)器人正常工作, 必須對(duì)機(jī)器人的位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)等進(jìn)行檢測(cè), 系統(tǒng)

7、可以采用傳統(tǒng)機(jī)器人的攝像機(jī)、激光測(cè)距儀、超聲測(cè)距儀、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器和雷達(dá)定位傳感器等。l新的技術(shù)如數(shù)字溫度攝像機(jī)具有很好的識(shí)別能力, 但是對(duì)操作者具有很高的要求。地面穿透雷達(dá)、微波雷達(dá)、激光探測(cè)儀具有很好的效果, 但是系統(tǒng)的花費(fèi)和能量消耗均較多, 另外的一種可能就是利用人工智能技術(shù)、納米技術(shù)或仿生技術(shù)來(lái)開發(fā)價(jià)格低傳感器。 l救援機(jī)器人多傳感器之間存在信息的處理和融合問(wèn)題。 1.4 災(zāi)難救援機(jī)器人關(guān)鍵性能通信能力:l操作人員和機(jī)器人之間的通信、操作人員和遇難者之間的通信和多救援機(jī)器人之間的通信。所有的通信通常采用無(wú)線的方式。l理想的情況是自主機(jī)器人具有通過(guò)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)一切環(huán)境的能力,

8、 對(duì)遇難者進(jìn)行定位,與救援隊(duì)伍進(jìn)行通訊和聯(lián)系實(shí)際上, 這里包含了大量的軟件處理與計(jì)算, 機(jī)器人自身難以獨(dú)立完成,人機(jī)交互的介入是必要和必須的。l多救援機(jī)器人之間的通訊, 受到廢墟遮擋的影響, 目前還不能夠很好地在救援機(jī)器人系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn), 但是它也是迫切需要解決的問(wèn)題之一。 1.4 災(zāi)難救援機(jī)器人關(guān)鍵性能 機(jī)器人的作業(yè)能力是機(jī)器人的存活能力、運(yùn)動(dòng)能力、感知能力、通信能力和人機(jī)交互有機(jī)結(jié)合的體現(xiàn),它主要包括以下幾個(gè)方面：l勘探l搜尋l救助 1.5 災(zāi)難救援機(jī)器人發(fā)展方向1、多種技術(shù)融合化 1.5 災(zāi)難救援機(jī)器人發(fā)展方向2、多智能體網(wǎng)絡(luò)化 依據(jù)某種最優(yōu)準(zhǔn)則，在工作空間中尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的避

9、開障礙物的最優(yōu)路徑。 1. 始于初始點(diǎn)止于目標(biāo)點(diǎn)。2. 避障。3. 盡可能優(yōu)化的路徑。 3.1基于幾何構(gòu)造的方法（自由空間法）l基本步驟：1.將機(jī)器人抽象為點(diǎn)，適當(dāng)擴(kuò)大障礙物的大小。 2.構(gòu)造自由空間。 3.采用圖搜索算法如Dijkstra算法尋找最優(yōu)路徑。 3.1.1基于幾何構(gòu)造的常用算法可視圖法l Voronoi法 3.2柵格法（1）圖中灰色區(qū)域?yàn)檎系K物 3.2柵格法（2）圖中黃色的路線表示該算法得到的最優(yōu)路徑 3.2D*（dynamic A*)算法（3）l美國(guó)火星探測(cè)器核心的尋路算法就是采用的D*算法 l適合于動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃l D*算法的思路可以推廣到改造自由空間法使其具有動(dòng)態(tài)規(guī)劃功能 3

10、.3智能化路徑規(guī)劃方法l基于邏輯推理的路徑規(guī)劃方法l基于模糊邏輯的路徑規(guī)劃方法l基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的路徑規(guī)劃方法l基于遺傳算法的路徑規(guī)劃方法l基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃方法 3.3.1基于邏輯推理的路徑規(guī)劃方法1.定義一個(gè)狀態(tài)（state）集，該集合反映機(jī)器人通過(guò)傳感器測(cè)得的當(dāng)前狀態(tài)。2.定義一個(gè)行為（action）集，該集合反映了機(jī)器人當(dāng)前可以采取的動(dòng)作。3.確定從狀態(tài)到行為的映射關(guān)系。 3.3.2基于模糊邏輯的路徑規(guī)劃方法l在基于邏輯推理的路徑規(guī)劃方法基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)：l傳感器的一次測(cè)量值與多個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)，每個(gè)狀態(tài)有一個(gè)隸屬度對(duì)應(yīng)。l根據(jù)模糊推理結(jié)果確定行為。 3.3.3基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的路徑規(guī)劃l在基于邏輯

11、推理的路徑規(guī)劃方法基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)：l具有在線學(xué)習(xí)功能（通過(guò)Q學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)） 3.3.4基于遺傳算法的路徑規(guī)劃（1）建模： 對(duì)2維路徑規(guī)劃問(wèn)題，將待規(guī)劃的路徑看成是n個(gè)點(diǎn)組成的點(diǎn)集，除初始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)外其余n-2個(gè)點(diǎn)（xi， yi ） i=2,3,4n-1都未知，共有2(n-2)個(gè)未知參數(shù)。 3.3.4基于遺傳算法的路徑規(guī)劃（2）1 12 2 22, 2, 3, 3, 1, 1 1 12 2min ( . ) ( ) ( ) n nl n n i i i i ii iE f x y x y x y L x x y y 優(yōu)化目標(biāo)：約束：（xi， yi ）必須在障礙物外部。采用懲罰函數(shù)法轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行處理： min l cE E wE (EC為懲罰項(xiàng)） 3.3.4基于遺傳算法的路徑規(guī)劃（3）l遺傳算法具有全局尋優(yōu)性能，對(duì)上述無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題可以得到全局最優(yōu)解。l當(dāng)然，其他的優(yōu)化算法同樣可以用于路徑規(guī)劃。 3.3.5基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃1.按照3.3.4的方法，轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題。2.用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示懲罰函數(shù)。3根據(jù)E遞減推導(dǎo)出相應(yīng)的反向傳播算法用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練.優(yōu)勢(shì)：神經(jīng)元可以并行計(jì)算 3.4人工勢(shì)場(chǎng)法基本原理障礙物對(duì)機(jī)器人施加排斥力，目標(biāo)點(diǎn)對(duì)機(jī)器人施加吸引力合力形成勢(shì)場(chǎng)，機(jī)器人移動(dòng)就像球從山上滾下來(lái)一樣機(jī)器人在合力作用下向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng) 3.2人工勢(shì)場(chǎng)法的實(shí)用算法