未知環(huán)境下移動(dòng)智能體自主導(dǎo)航研究.pdf

1、自主移動(dòng)智能體（Autonomous Mobile Agent）是智能體研究和工程應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，對(duì)于移動(dòng)智能體而言，其自主導(dǎo)航能力是智能體各個(gè)能力中重要的一部分。自主導(dǎo)航包括路徑規(guī)劃、避障策略、定位、環(huán)境感知等多個(gè)方面，要求移動(dòng)智能體不具備任何先驗(yàn)的環(huán)境知識(shí)，僅根據(jù)自身配備的傳感器來感知周邊環(huán)境內(nèi)的障礙物信息，并根據(jù)此信息自主規(guī)劃它的動(dòng)作、制定運(yùn)動(dòng)軌跡，最終盡可能高效、可靠地從初始位置（或初始位姿）到達(dá)指定的目標(biāo)位置（或終止位姿）

2、。移動(dòng)智能體自主導(dǎo)航需要滿足一定的約束條件，這些約束條件包括：與障礙物間無碰撞、路徑長度最短、能源消耗最少、時(shí)間消耗最少、以及移動(dòng)智能體的動(dòng)力學(xué)約束等。
　　本文主要研究了移動(dòng)智能體在大尺度范圍內(nèi)和小尺度范圍內(nèi)未知環(huán)境下的自主導(dǎo)航問題，主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)現(xiàn)概括如下：
　　1.提出矢量化路徑描述方法，以路徑矢量組來表示路徑。該方法中提出以一組首尾相連的矢量來描述、保存規(guī)劃路徑，移動(dòng)智能體在根據(jù)矢量化的路徑行進(jìn)時(shí)，可以直接根

3、據(jù)規(guī)劃路徑執(zhí)行前進(jìn)、轉(zhuǎn)向指令。而且該方法可以有效的避免路徑規(guī)劃過程對(duì)地圖構(gòu)建的依賴，無需地圖存儲(chǔ)及維護(hù)的龐大數(shù)據(jù)，因此可以大幅度降低保存路徑時(shí)的空間需求。提出的路徑更新計(jì)算方法可方便的進(jìn)行路徑的維護(hù)和更新，并大大減少路徑更新時(shí)的計(jì)算量。
　　2.將矢量化路徑描述方法與Bug算法思想相結(jié)合，解決大尺度范圍內(nèi)靜態(tài)未知環(huán)境下移動(dòng)智能體自主導(dǎo)航問題。研究中借鑒了Bug系列算法中“朝向目標(biāo)位置移動(dòng)”和“遇到障礙物轉(zhuǎn)身”的思想，并將其與矢量化

4、路徑描述方法緊密結(jié)合。首先以起始位置和目標(biāo)位置構(gòu)建初始路徑，令移動(dòng)智能體沿初始路徑行進(jìn)，在行進(jìn)過程中，移動(dòng)智能體根據(jù)不同的條件對(duì)未知的環(huán)境及其中的障礙物進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)有障礙物阻擋當(dāng)前行進(jìn)路徑，則生成中間插入點(diǎn)并更新路徑，然后令移動(dòng)智能體沿更新后的路徑繼續(xù)行進(jìn)，最終令移動(dòng)智能體無碰撞的到達(dá)目標(biāo)位置。研究中提出了兩種中間插入點(diǎn)的生成方法，分別是掃描生成和隨機(jī)生成。兩種方法中，掃描方式相比于隨機(jī)方式而言，更容易得到路徑長度較優(yōu)的規(guī)劃結(jié)果；

5、而隨機(jī)生成方式則具有更好的全局搜索能力。對(duì)于掃描生成中間點(diǎn)時(shí)易得到局部最優(yōu)解的缺點(diǎn)，研究中提出了改進(jìn)方法，使得移動(dòng)智能體在陷入局部最優(yōu)后，能夠迅速走出局部最優(yōu)；而對(duì)于中間點(diǎn)的隨機(jī)生成方式則提出了快速收斂策略，以得到較短的運(yùn)行軌跡和較少的規(guī)劃時(shí)間。
　　3.將矢量化路徑描述方法運(yùn)用到大尺度范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)未知環(huán)境下移動(dòng)智能體的自主導(dǎo)航研究中，解決環(huán)境中具有未知移動(dòng)障礙物的自主導(dǎo)航問題。依據(jù)矢量化路徑描述方法的思想，首先建立初始路徑，令移動(dòng)

6、智能體在沿路徑行進(jìn)的過程中以規(guī)定的時(shí)間間隔對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，查找是否有障礙物，一旦發(fā)現(xiàn)有障礙物存在，則根據(jù)研究中提出的一系列步驟，判定障礙物的移動(dòng)趨勢(shì)，并斷定該障礙物是否會(huì)阻擋當(dāng)前行進(jìn)路徑。一旦發(fā)現(xiàn)有障礙物已經(jīng)阻擋或?qū)⒂锌赡茏钃醍?dāng)前路徑時(shí)，根據(jù)提出的中間點(diǎn)生成算法，朝向障礙物移動(dòng)的相反方向生成中間插入點(diǎn)并實(shí)時(shí)更新路徑，然后令移動(dòng)智能體沿更新后的路徑行進(jìn)，直至安全無碰撞的到達(dá)目標(biāo)位置。
　　4.充分考慮移動(dòng)智能體的動(dòng)力學(xué)約束，提出

7、基于Bug思想的小尺度范圍內(nèi)移動(dòng)智能體自主導(dǎo)航算法。將Dubins路徑與Bug算法相結(jié)合，在移動(dòng)智能體從一個(gè)位姿向另一個(gè)位姿運(yùn)動(dòng)的過程中，根據(jù)移動(dòng)智能體的最小轉(zhuǎn)向半徑構(gòu)建Dubins路徑，并令移動(dòng)智能體沿Dubins路徑行進(jìn)，以滿足其動(dòng)力學(xué)特性。首先令移動(dòng)智能體沿Dubins路徑從初始位姿向終止位姿移動(dòng)，并在規(guī)定的條件下感知環(huán)境信息，一旦移動(dòng)過程中發(fā)現(xiàn)有障礙物阻擋當(dāng)前路徑，則根據(jù)提出的中間位姿生成方法，生成中間位姿，并構(gòu)造兩條分別由當(dāng)前