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伊連云（1974－）

女，山東德州人，碩士，講師，主要從事自動控制及人工智能方面研究。

機(jī)器人足球比賽是近年來開展的高科技對抗運動，以此為平臺研究多智能體系統(tǒng)及其協(xié)調(diào)問題[1]。路徑規(guī)劃是實現(xiàn)機(jī)器人智能的一個關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)對環(huán)境信息掌握的程度不同，可以將機(jī)器人路徑規(guī)劃分為兩種類型，一個是基于環(huán)境先驗完全信息的全局路徑規(guī)劃，另一個是基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃。目前，全局路徑規(guī)劃方法已趨于成熟，可視圖法[2]、圖搜索法[3]、拓?fù)浞ā鸥穹?/SPAN>[4,5]和人工勢場法[6，7]等都已經(jīng)在仿真和實際操作方面得到了很好的實現(xiàn)。局部路徑規(guī)劃的主要方法有：人工勢場法、遺傳算法和模糊邏輯算法。但局部路徑規(guī)劃由于彩色CCD視角的限制、自主視覺的深度信息丟失兩個原因，相對而言只有較準(zhǔn)確的局部信息，全局信息則具有不確定的特點，因此機(jī)器人很難判斷目標(biāo)、本體和障礙物的精確位置，更難獲取目標(biāo)和障礙物的速度信息，從而也無法得到足夠的信息反饋對軌跡進(jìn)行調(diào)整，這就加大了局部路徑規(guī)劃的難度，很難把全局路徑規(guī)劃方法照搬到局部路徑規(guī)劃上面，也意味著局部路徑規(guī)劃必須建立自己的系統(tǒng)和理論。然而由于受客觀條件的制約，目前局部路徑規(guī)劃的方法還沒有實現(xiàn)系統(tǒng)化和理論化，因此如何在信息不完全或不確定的情況下進(jìn)行足球機(jī)器人的局部路徑規(guī)劃具有重要意義。

1  傳統(tǒng)的人工勢場法

人工勢場法是由Khatib[8]提出的一種虛擬力法。這種方法的基本思想是把機(jī)器人在環(huán)境中的運動視為一種在抽象的人造受力場中的運動，即在環(huán)境中建立人工勢場的負(fù)梯度方向指向系統(tǒng)的運動控制方向。目標(biāo)點對移動機(jī)器人產(chǎn)生引力，障礙物對機(jī)器人產(chǎn)生斥力，其結(jié)果是使機(jī)器人沿“勢峰”間的“勢谷”前進(jìn)。引力和斥力的合力作為機(jī)器人的加速力來控制機(jī)器人的運動方向和計算機(jī)器人的位置。這類方法突出的優(yōu)點是系統(tǒng)的路徑生成與控制直接與環(huán)境實現(xiàn)了閉環(huán)，從而大大加強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性與避障性能。

但是人工勢場法也存在幾個主要的缺陷：(1) 陷阱區(qū)域；(2) 在相近的障礙物之間不能發(fā)現(xiàn)路徑；(3) 在障礙物前振蕩；(4) 在狹窄通道中擺動。

2  虛擬磁場理論

機(jī)器人足球的路徑規(guī)劃是有約束條件的路徑規(guī)劃，所謂的約束條件就是機(jī)器人比賽的規(guī)則。和真正的足球比賽一樣，勝負(fù)取決于進(jìn)球的多少。所以把球踢進(jìn)對方球門而阻止對方進(jìn)球應(yīng)該是機(jī)器人的最終任務(wù)，機(jī)器人所有的策略生成都應(yīng)該圍繞這一核心展開。

圖1  比賽中的虛擬磁場

機(jī)器人無論在場上的任何位置，總存在滿足攻守兼?zhèn)錀l件的位置，機(jī)器人如果占據(jù)了這個位置，所獲取的信息將更加全面，更加準(zhǔn)確。機(jī)器人下一步的規(guī)劃將會更加有效，對場上局勢的控制能力更強(qiáng)。在圖1(a)中給出了機(jī)器人在沒有任何障礙物情況下無約束規(guī)劃。無論機(jī)器人在圖中1～7的任何位置，A點是既有利于進(jìn)攻又有利于防守的點，而機(jī)器人在當(dāng)前點和A點之間總能找到一條平滑的路徑，符合機(jī)器人路徑規(guī)劃的要求。圖1(a)中的七條曲線以直線O1O為軸線向外發(fā)散，仿佛大磁場的磁力線一樣分布。而這個磁場由足球的球心O1和球門的中心O構(gòu)成兩極，在圖1(b)中給出了這一虛擬磁場的抽象模型，與圖1(a)中的各點一一對應(yīng)。

傳統(tǒng)的人工勢場方法是機(jī)器人的運動規(guī)劃方法，也是一種微觀的控制方法：就是機(jī)器人在規(guī)劃中根據(jù)目標(biāo)的吸引和障礙物的排斥來確定機(jī)器人的運動，而沒有把最終任務(wù)放在規(guī)劃中。向量場則對人工勢場法的這一局限進(jìn)行了改進(jìn)，但是由于對目標(biāo)點的位置要求過于精確，只能適用于全局路徑規(guī)劃。虛擬磁場的概念則把規(guī)劃策略的宏觀生成與機(jī)器人運動的微觀控制有機(jī)的結(jié)合在一起，在虛擬磁場中，目標(biāo)對機(jī)器人的吸引力不再是機(jī)械的指向目標(biāo)，而是指向有利于下一步規(guī)劃的位置。并且機(jī)器人在虛擬磁場下的路徑規(guī)劃已經(jīng)把行為控制和運動控制融合在一起，無論是目標(biāo)跟蹤，還是帶球進(jìn)攻，還是快速回防都無需判斷，這樣就減少了路徑規(guī)劃對機(jī)器人判斷能力的依賴性：即使機(jī)器人判斷失誤，規(guī)劃出的路徑仍然是進(jìn)可攻退可守的路徑。這在實際上減少了機(jī)器人的運算步驟，可以把更多的處理時間用于路徑跟蹤和處理突發(fā)事件上。路徑規(guī)劃對機(jī)器人判斷能力依賴性的減弱，同時意味著對獲取信息的全面性和準(zhǔn)確性的依賴性的降低，因此這種規(guī)劃方法更適用于機(jī)器人在不確定信息下的路徑規(guī)劃，這是虛擬磁場與向量場的本質(zhì)不同。因此這一理論的擴(kuò)展具有一定的意義，下面給出了虛擬磁場的三大準(zhǔn)則：

1. 當(dāng)前的目標(biāo)點與最終的目標(biāo)點構(gòu)成虛擬磁場的兩極。

2. 機(jī)器人在虛擬磁場中總是由低磁勢向高磁勢的位置運動。

3. 機(jī)器人總是由低能量級的磁力線向高能量級的磁力線運動。

3  目標(biāo)點的確定

從圖1可以知道A點為規(guī)劃的目標(biāo)點，在全局路徑規(guī)劃中，A點與O1點重合。在局部路徑規(guī)劃中，由于獲取信息的不確定性，導(dǎo)致機(jī)器人對自身和目標(biāo)的全局定位都存在一定的誤差，在絕對誤差半徑已知的情況下，機(jī)器人和目標(biāo)的全局位置不再是一個點，而是一個以該點為圓心，以絕對誤差半徑為半徑的圓。因此筆者采用了一種機(jī)器人在不確定信息下的目標(biāo)點的確定方法：二圓定位法。

定義|O2O1|為點O2到點O1的距離，則當(dāng)φ1和φ2小于或等于φ；并且|O2C1|大于或等于|O2C|時的O1點就是二圓定位的終止點。在實際的比賽中，由于涉及到避障和邊界限制，最優(yōu)的終止點往往是無法達(dá)到的。所以在圖2中給出了用陰影表示的終止區(qū)，在終止區(qū)內(nèi)的任何位置，機(jī)器人都能通過調(diào)整姿態(tài)來得到相對確定的信息，這樣就使機(jī)器人的運動規(guī)劃具有更大的靈活性，防止在某一點產(chǎn)生震蕩，使機(jī)器人控制系統(tǒng)具有更好的魯棒性。

 圖2  二圓定位法

4  實驗結(jié)果

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：如圖3所示，在初始狀態(tài)機(jī)器人的信息確定程度很低，經(jīng)過一次規(guī)劃后誤差較大，但是信息確定程度有所提高。經(jīng)過二次規(guī)劃后信息確定程度的提高速度和向理想規(guī)劃狀態(tài)的收斂速度加快，基本上收斂到理想的規(guī)劃點。信息確定程度高的狀態(tài)，正好是絕對誤差半徑小而且攻守兼?zhèn)湫院玫臓顟B(tài)。位置規(guī)劃的快速性和準(zhǔn)確性取決于機(jī)器人初始狀態(tài)的信息確定程度，而與初始點和終止點無關(guān)。隨著信息確定程度的提高，位置規(guī)劃向終止點的收斂具有加速的趨勢。

實驗結(jié)果如表1所示。

表1  機(jī)器人在二圓定位法中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)（cm）

圖3  機(jī)器人在二圓定位法中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換實例

5  結(jié)論

虛擬磁場的概念及其準(zhǔn)則不僅把規(guī)劃策略的宏觀生成與機(jī)器人運動的微觀控制有機(jī)的結(jié)合在一起，而且對移動機(jī)器人在未知環(huán)境下的規(guī)劃方法進(jìn)行了有益的探索。虛擬磁場、二圓定位法構(gòu)成了一個有機(jī)的整體，使機(jī)器人的路徑規(guī)劃更加簡單、有效，滿足了機(jī)器人足球準(zhǔn)確性、快速性和攻守兼?zhèn)湫缘囊蟆?/SPAN>

參考文獻(xiàn)

[1] KIM J H Cooperation multi-agent robot system：From the robot soccer perspective[A]. Proc MiroSot’97[C]. Taejon: KAIST,1997,5-16,111-122.

[2] J.S.Singh, M.D.Wagh. Robot Path Planning Using Intersecting Convex Shapes: Analysis and Simulation. IEEE J Robotics Automat,1987,(5),128-134.

[3] C.Alexopoulos, P.M.Griffin. Path Planning for a Mobile Robot. IEEE Trans, SMAC, 1992,100-111.

[4] 王洪. 基于模型的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文. 1998,34-37.

[5] 高明. 在動態(tài)環(huán)境中移動機(jī)器人的導(dǎo)航和避碰的研究[D]. 清華大學(xué)計算機(jī)系學(xué)士學(xué)位論文. 1993,35-38.

[6] 吳曉濤，孫增圻. 用遺傳算法進(jìn)行路徑規(guī)劃[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 1995,(5),44-46.

[7] Peng Song,ViJay Kumar. A Potential Field Based Approach to Multi-Robot Manipulation. Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics & Automation, Washington DC, 2002,223-234.

[8] Khatib O Realtime Abstract Avoidance for Manipulatorstand Mobile Robotsin Proc[J] IEEE Int Conf On Roboticsand Automation March 25381985.500505,also in Int J Robot Res.1986,5(1):9098,212-214.