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機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃算法-仿生智能算法

編輯:創(chuàng)澤底盤      發(fā)布時(shí)間:2022/8/19      來源:混沌無形

與經(jīng)典算法相比,智能算法能夠較好適應(yīng)復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中的不確定、不完整的信息,但需要前期學(xué)習(xí)階段和較G計(jì)算成本,適用于大型機(jī)器人,如無人車等。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃算法

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)的輸入、輸出之間的復(fù)雜關(guān)系進(jìn)行建模。如文獻(xiàn)[2]提出了一種通過模仿學(xué)習(xí)過程構(gòu)建機(jī)器人目標(biāo)導(dǎo)向?qū)Ш江h(huán)境內(nèi)部模型的分層結(jié)構(gòu)。該方法以訓(xùn)練遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN的回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)(Reservoir Computing)為基礎(chǔ)。它由兩個(gè)隨機(jī)生成的RNN組成,一個(gè)用于建模定位,另一個(gè)用于學(xué)習(xí)導(dǎo)航。訓(xùn)練后的系統(tǒng)能夠在較大的未知環(huán)境中定位,并成功導(dǎo)航至目標(biāo)點(diǎn)。

模糊邏輯規(guī)劃算法

除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)外,模糊邏輯可模仿人感知能力以適應(yīng)環(huán)境中的不確定性。

Chang和T. Jin提出了一種模糊推理模型來解決移動機(jī)器人路徑規(guī)劃問題[6]。通過傳感器感知機(jī)器人在未知動態(tài)環(huán)境下的目標(biāo)/障礙物位置和當(dāng)前速度。在模型中,三個(gè)主要的導(dǎo)航目標(biāo):目標(biāo)取向(尋求目標(biāo)),避障(避免障礙)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(保持航向)都包含在一個(gè)成本函數(shù)找到Z優(yōu)的轉(zhuǎn)向角θ。移動機(jī)器人通過根據(jù)環(huán)境改變成本函數(shù)的權(quán)重來實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航

基于仿生的規(guī)劃算法

受生物行為啟發(fā),將仿生算法應(yīng)用于求解復(fù)雜運(yùn)動規(guī)劃問題能夠得到良好的效果。

遺傳算法

遺傳算法是一種基于自然遺傳學(xué)的優(yōu)化工具,它利用了自然選擇、交叉和突變等過程的優(yōu)點(diǎn)。遺傳算法在解決組合優(yōu)化問題方面具有很大的潛力,如復(fù)雜環(huán)境下路徑規(guī)劃問題。

文獻(xiàn)[8]遺傳算法用于路徑規(guī)劃L域,并結(jié)合了小規(guī)模局部搜索,以適用于動靜態(tài)環(huán)境。

文獻(xiàn)[9]提出了一種基于遺傳算法的動態(tài)路徑規(guī)劃算法(dynamic path planning algorithm, DPPA),可在U形、V形等套狀障礙物中,或遇到動態(tài)障礙物的情況,生成可行的路徑。

粒子群算法

與GA相似,PSO模仿鳥群覓食,通過粒子自我體驗(yàn)與社會經(jīng)驗(yàn)迭代更新。

文獻(xiàn)[11]中,Y. Zhang等人提出了一種不確定環(huán)境下基于PSO的多目標(biāo)機(jī)器人路徑規(guī)劃算法,目標(biāo)函數(shù)由風(fēng)險(xiǎn)度和路徑距離組成,因此,路徑規(guī)劃問題被認(rèn)為是一個(gè)具有不確定系數(shù)的約束雙目標(biāo)優(yōu)化問題。

J坐標(biāo)PSO (polar coordination PSO, PPSO)用于動態(tài)環(huán)境下的機(jī)器人路徑規(guī)劃[12],該算法將任務(wù)分解為全局規(guī)劃階段和局部規(guī)劃階段。它可以根據(jù)靜態(tài)障礙物信息尋找全局Z優(yōu)路徑。然后,采用在線實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃策略,通過預(yù)測障礙物的未來位置來避開移動障礙物。

蟻群算法

蟻群算法與PSO算法均屬于通過群體行為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聚類的算法。在[13]中,X. Chen等人提出了兩階段蟻群算法模型,該模型能夠克服早熟收斂與Z優(yōu)路徑之間的主要不一致性問題。

在文獻(xiàn)[14-15]中,提出了一種基于蟻群優(yōu)化的Z優(yōu)路徑規(guī)劃方法。將機(jī)器人視為一個(gè)點(diǎn),使其在離散的工作環(huán)境表示中占有一個(gè)準(zhǔn)確的單元。在模糊邏輯系統(tǒng)評價(jià)的代價(jià)函數(shù)中,考慮了路徑的長度和導(dǎo)航的難度。該算法具有環(huán)境變化的自適應(yīng)能力,可以實(shí)現(xiàn)具有動態(tài)障礙物的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃。

總體來看,仿生智能算法能夠規(guī)劃出Z優(yōu)或次優(yōu)的路徑,但它們的收斂速度是無法確定的,且其規(guī)劃的時(shí)間一般較長,因此不適用于實(shí)時(shí)性要求G的應(yīng)用場景,多數(shù)被應(yīng)用于離線尋優(yōu)計(jì)算,如物流配送規(guī)劃、新藥物結(jié)構(gòu)探索等L域。



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