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機器人技術基礎系列：規(guī)劃與導航

摘要： 自主移動機器人的規(guī)劃與導航包括利用有目的的抉擇制定和執(zhí)行來使系統(tǒng)實現(xiàn)最高級的目標。機器人是否勝任導航的能力必須通過兩個技能來證明：路徑規(guī)劃和避障。

關鍵詞： 運動伺服路徑規(guī)劃導航 NI

Abstract：

Key words :

概覽

自主移動機器人的規(guī)劃與導航包括利用有目的的抉擇制定和執(zhí)行來使系統(tǒng)實現(xiàn)最高級的目標。機器人是否勝任導航的能力必須通過兩個技能來證明：路徑規(guī)劃和避障。

ni.com/devzone/cda/tut/p/id/10842#toc0">路徑規(guī)劃
避障
在中LabVIEW使用算法

路徑規(guī)劃

給定地圖和目的地情況下的路徑規(guī)劃指的是機器人通過軌跡識別行進至目的地的能力。路徑規(guī)劃是至關重要的問題解決能力，因為機器人必須有能力決定在到達目的地前的路程中如何行進。

路徑規(guī)劃可分為兩部分：表達與算法。路徑規(guī)劃人員首先將機器人環(huán)境轉化為適合路徑規(guī)劃的形式。一些常用的技術包括廣義的Voronoi圖、規(guī)則網格和四叉樹。路徑規(guī)劃算法通?？捎糜趲缀跛信渲每臻g的表達，雖然某些方法會更適合特定表達。圖1展示了LabVIEW中繪制的Voronoi圖。

圖1.LabVIEW中的Voronoi圖

由于多數(shù)表達可轉換為圖表，初始節(jié)點和目標節(jié)點之間的路徑可通過圖搜索算法來計算。圖搜索算法被計算機科學充分理解，然而，許多算法要求程序訪問圖上的每個節(jié)點，以此來決定初始節(jié)點和目標節(jié)點間的最短路徑。對于松連通圖來說，訪問每個節(jié)點是容易計算的，如Voronoi 圖；但對于緊連通圖來說計算開銷迅速變大，如規(guī)則網格圖。

避障

路徑規(guī)劃人員僅考慮預先知道的環(huán)境障礙。在路徑執(zhí)行中可能由于地圖精度或動態(tài)環(huán)境等因素，造成機器人真實傳感器的值與預期值之間存在差異。因此，機器人必須能根據真實傳感器的值實時改變運動路徑。這正是避障能力重要的原因。一些通用的避障方法包括Bug算法、VFH算法。

Bug算法

一種直接的路徑規(guī)劃方法是沿機器人行進路線中每個障礙的輪廓繞行。Bug1算法中，機器人完全沿障礙物輪廓環(huán)繞，并在到達離目標地點最近的點時分離。這種方法效率低，但能確保機器人到達任何可到達的目標。Bug2算法中，機器人先沿障礙物輪廓行進，當達到可直達目標地點的位置時立刻分離。Bug2算法顯著縮短了機器人的行進路程，但仍不是最優(yōu)的。

VFH算法

Bug算法的一個限制是機器人每一刻的行為一般為傳感器最近時刻讀數(shù)的函數(shù)。這就可能導致機器人的瞬時傳感器讀數(shù)不能為穩(wěn)定的避障能力提供足夠的信息。VFH技術通過創(chuàng)建機器人周圍環(huán)境的地圖克服了該限制。在避障時生成極坐標柱狀圖來確定轉向。首先，識別能夠讓機器人通過的所有通道。然后，執(zhí)行考慮目標方向、輪方向和前一刻方向的代價函數(shù)。

圖2.LabVIEW VI的前面板運行VFH避障算法

在中LabVIEW使用算法

通過LabVIEW用戶可選擇最有效的語法來開發(fā)算法，或使用內置工具來導入其它基于文本語言寫的算法。繼承代碼中已有的搜索算法及其它機器人庫可輕松導入LabVIEW、LabVIEW Real-Time和LabVIEW FPGA中。

調用函數(shù)庫節(jié)點

LabVIEW用戶可利用調用庫函數(shù)節(jié)點在Windows機器和實時嵌入式控制器中調用DLL。該節(jié)點用于在LabVIEW中創(chuàng)建調用專為LabVIEW編寫的已有庫或新庫的接口。下圖的調用庫函數(shù)節(jié)點輸入4個字節(jié)的浮點數(shù)，并輸出其平方值。

圖3.調用函數(shù)庫節(jié)點可在LabVIEW中用于導入繼承代碼

也可參閱：

概述LabVIEW中的DLL訪問或庫共享

使用導入共享庫向導綜合外部代碼

公式節(jié)點

公式節(jié)點可用于LabVIEW和LabVIEW Real-Time中的算法開發(fā)。公式節(jié)點是一種簡單的基于文本語言的節(jié)點，用于在LabVIEW框圖中執(zhí)行數(shù)學操作。用戶無需連接任何外部代碼或應用，也無需連接低級算法函數(shù)來創(chuàng)建等式。除了基于文本的等式表達，公式節(jié)點還能接受基于文本版的if聲明、while循環(huán)、for循環(huán)和do循環(huán)，這些都是C 語言用戶所熟悉的。