基于細(xì)菌覓食勢(shì)場(chǎng)法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于細(xì)菌覓食勢(shì)場(chǎng)法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，屬于人工智能(AI)仿生控制【技術(shù)領(lǐng)域】。本方法在仿照細(xì)菌覓食環(huán)境建立相似機(jī)器人工作勢(shì)場(chǎng)環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)模仿細(xì)菌在覓食過(guò)程中的趨化行為，構(gòu)建了移動(dòng)機(jī)器人的感知和決策行為控制策略，從而驅(qū)使單移動(dòng)機(jī)器人完成路徑規(guī)劃任務(wù)。本發(fā)明提供的基于細(xì)菌覓食勢(shì)場(chǎng)法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法順應(yīng)了機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)朝向仿生智能化的發(fā)展趨勢(shì)，豐富了移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，促進(jìn)了群集智能在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】基于細(xì)菌覓食勢(shì)場(chǎng)法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于人工智能（AI)仿生控制【技術(shù)領(lǐng)域】，設(shè)及一種基于細(xì)菌覓食勢(shì)場(chǎng)法的 移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今世界，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展程度已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家科技和工業(yè)化水 平的標(biāo)準(zhǔn)之一。因此，國(guó)內(nèi)外政府和企業(yè)紛紛瞄準(zhǔn)了機(jī)器人行業(yè)，并加快了機(jī)器人技術(shù)的研 發(fā)和制造步伐。機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)起始于二十世紀(jì)走十年代，它是機(jī)器人導(dǎo)航的重要環(huán) 節(jié)。路徑規(guī)劃指的是機(jī)器人按照某一性能指標(biāo)（如行走路徑最短，耗費(fèi)時(shí)間最短或消耗能 量最少等），在工作空間中捜索一條從起始位置到達(dá)目標(biāo)位置的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無(wú)碰撞 路徑。近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的興起和不斷發(fā)展，機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)正由傳統(tǒng)方法走 向智能仿生化方向發(fā)展。
[0003] 移動(dòng)機(jī)器人在執(zhí)行裝配運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)W及助老助殘等任務(wù)時(shí)，已經(jīng)廣泛地運(yùn)用 到了路徑規(guī)劃技術(shù)。采用良好的路徑規(guī)劃技術(shù)不僅可W大量減少機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間、降低 機(jī)器人磨損，同時(shí)也可W節(jié)約不少人力和物力成本。因此，開(kāi)展移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù) 的研究工作是十分有意義和有價(jià)值的。①一方面，隨著現(xiàn)代人生活節(jié)奏的加快和全球人口 老齡化的加劇，殘障人±和老年人±的生活起居因年輕一輩的工作繁忙而無(wú)法得到周到照 料，他們開(kāi)始對(duì)信息社會(huì)的無(wú)障礙輔助產(chǎn)生了新的需求。該些殘疾人或者老年人一般都生 活在結(jié)構(gòu)化的居室中，而居室里的家具布置一般在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生太大變化。因此，為滿足 他們行動(dòng)不便的需要，往往可W利用群集智能路徑規(guī)劃方法在該樣的環(huán)境中規(guī)劃出一條或 多條從不同位置出發(fā)，到達(dá)不同目標(biāo)點(diǎn)的機(jī)器人移動(dòng)路徑來(lái)，從而為殘疾人和老年人的行 動(dòng)導(dǎo)航。該樣一來(lái)，不僅滿足了殘疾人和老年人的需要，而且還減輕了年輕人的煩惱。②另 一方面，在大型工廠生產(chǎn)車(chē)間中往往需要利用多機(jī)器人之間的共同作用來(lái)搬運(yùn)貨物到指定 位置，如果引進(jìn)群集智能中的智能行為特性來(lái)解決多機(jī)器人的協(xié)調(diào)和協(xié)作問(wèn)題，亦可大力 節(jié)約人力和物力成本，方便工廠車(chē)間內(nèi)的批量化生產(chǎn)和運(yùn)輸操作。
[0004] 因此，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究，特別是對(duì)路徑規(guī)劃技術(shù)的研究，無(wú)論針對(duì)單個(gè)機(jī) 器人還是多個(gè)機(jī)器人，利用群集智能方法來(lái)解決該些問(wèn)題，都有著非?？捎^的應(yīng)用前景和 影響深遠(yuǎn)的意義。細(xì)菌覓食的行為過(guò)程便是群集智能方法中的一種，在某種程度上，將其用 于移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃研究，該將促進(jìn)群集智能的應(yīng)用和發(fā)展，推動(dòng)人工智能學(xué)科的開(kāi)拓 和創(chuàng)新。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于細(xì)菌覓食勢(shì)場(chǎng)法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī) 劃方法，該方法在仿照細(xì)菌覓食場(chǎng)景建立相似的機(jī)器人工作環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)模仿 細(xì)菌在覓食過(guò)程中的趨化行為，構(gòu)建了移動(dòng)機(jī)器人的感知模型和運(yùn)動(dòng)控制策略，從而驅(qū)使 單個(gè)移動(dòng)機(jī)器人完成了路徑規(guī)劃任務(wù)。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0007] 一種基于細(xì)菌覓食勢(shì)場(chǎng)法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，該方法在仿照細(xì)菌覓食 場(chǎng)景建立相似的機(jī)器人工作環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)模仿細(xì)菌在覓食過(guò)程中的趨化行為， 構(gòu)建了移動(dòng)機(jī)器人的感知模型和運(yùn)動(dòng)控制策略，通過(guò)適應(yīng)度函數(shù)值來(lái)評(píng)判機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方 式；前進(jìn)或者轉(zhuǎn)向，從而驅(qū)使單個(gè)移動(dòng)機(jī)器人完成路徑規(guī)劃任務(wù)。
[000引進(jìn)一步，該方法具體包括W下步驟：
[0009] Step 1 ;初始化；
[0010] 1)初始化移動(dòng)人的各類參數(shù)；起始點(diǎn)坐標(biāo)技。，YJ和目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)技g，Yg]，機(jī)器人 感知半徑R，機(jī)器人移動(dòng)步長(zhǎng)A，最大趨化步數(shù)Stepm。,，機(jī)器人四周傳感器總個(gè)數(shù)S。，避障權(quán) 重和趨向目標(biāo)權(quán)重《 2;。初始化環(huán)境信息：工作空間界限技mh，XmJ和[Ymh，YmJ，各 個(gè)障礙物的中屯、位置[Xw，yJ，邊界形狀C。^及它們?cè)赬方向的作用范圍5 d和Y方向的 作用范圍5 yi;3)初始化機(jī)器人起始點(diǎn)處的適應(yīng)度值F = 0,并設(shè)置St巧=1 ;
[0011] St巧2 ;適應(yīng)度函數(shù)值更新：
[001引按照公式F= 計(jì)算機(jī)器人當(dāng)前位置（x，y)處WR為半徑的感知區(qū)域 上第i個(gè)傳感器方向處的適應(yīng)度函數(shù)F(Xi，yi)，i = 1，2，...，S。；
[0013] St巧3 ;極小值點(diǎn)探索；
[0014] 按照公式F(/，/) = i^]pCF)，尋找一個(gè)子目標(biāo)點(diǎn)妃片，并使得 F(-廠切. ?
[0015] St巧4 ;機(jī)器人位姿更新；
[0016] 如果機(jī)器人的子目標(biāo)點(diǎn)位置的總適應(yīng)度值好于機(jī)器人當(dāng)前位置的適應(yīng)度值，那么 2兀 機(jī)器人按照公式；W + l) = 0(/) + ^x巧,1-5,)進(jìn)行方向調(diào)整；反么機(jī)器人則繼續(xù)向前一 個(gè)方向移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，此時(shí)，機(jī)器人位置按照公s'更新；
[0017] St巧5;判斷結(jié)束條件；

【權(quán)利要求】
1. 一種基于細(xì)菌覓食勢(shì)場(chǎng)法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，其特征在于：該方法在仿照 細(xì)菌覓食場(chǎng)景建立相似的機(jī)器人工作環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)模仿細(xì)菌在覓食過(guò)程中的趨 化行為，構(gòu)建了移動(dòng)機(jī)器人的感知模型和運(yùn)動(dòng)控制策略，通過(guò)適應(yīng)度函數(shù)值來(lái)評(píng)判機(jī)器人 的運(yùn)動(dòng)方式：前進(jìn)或者轉(zhuǎn)向，從而驅(qū)使單個(gè)移動(dòng)機(jī)器人完成路徑規(guī)劃任務(wù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于細(xì)菌覓食勢(shì)場(chǎng)法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，其特 征在于：該方法具體包括以下步驟： Step1 :初始化： 1)初始化移動(dòng)人的各類參數(shù)：起始點(diǎn)坐標(biāo)[XyYJ和目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)[Xg,Yg]，機(jī)器人感知 半徑R，機(jī)器人移動(dòng)步長(zhǎng)A，最大趨化步數(shù)Stepmax，機(jī)器人四周傳感器總個(gè)數(shù)Sn，避障權(quán)重 %和趨向目標(biāo)權(quán)重《 2;2)初始化環(huán)境信息：工作空間界限[Xmin，Xmax]和[Ymin，Ymax]，各個(gè) 障礙物的中心位置[X()i，yJ，邊界形狀C。以及它們?cè)赬方向的作用范圍Sxi和Y方向的作 用范圍Syi;3)初始化機(jī)器人起始點(diǎn)處的適應(yīng)度值F= 0,并設(shè)置St印=1 ; St印2 :適應(yīng)度函數(shù)值更新： 按照公式F= ?丨8+?丨。，計(jì)算機(jī)器人當(dāng)前位置（x，y)處以R為半徑的感知區(qū)域上第i個(gè)傳感器方向處的適應(yīng)度函數(shù)F(Xi，yi)，i= 1，2,. . .，Sn; Step3 :極小值點(diǎn)探索：
St印4 :機(jī)器人位姿更新： 如果機(jī)器人的子目標(biāo)點(diǎn)位置的總適應(yīng)度值好于機(jī)器人當(dāng)前位置的適應(yīng)度值，那么機(jī)器
Step5 :判斷結(jié)束條件： 如果機(jī)器人當(dāng)前趨化步數(shù)已經(jīng)達(dá)到了最大預(yù)設(shè)步數(shù)Stepmax,則算法停止，輸出最優(yōu)位 置；否則Step=Step+1，轉(zhuǎn)到Step2 ;重復(fù)Step2到Step5,直到算法停止。
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK104503453SQ201410782599
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月16日
【發(fā)明者】張毅, 羅元, 劉想德, 林海波, 徐曉東, 胡豁生 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)