張柏 張興國(guó) 郭旭 唐玉芝

摘 要：作為移動(dòng)機(jī)器人一員的智能物料運(yùn)載車能實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航功能，不但可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以提高工作效率，增強(qiáng)安全性，并進(jìn)一步提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等。本文主要綜述了運(yùn)載車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航方法和選擇最佳路徑的方法，為智能物料運(yùn)載車的車間應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：運(yùn)載車；移動(dòng)機(jī)器人；導(dǎo)航；智能化；綜述；

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）9（b）-0000-00

前言

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，采用智能機(jī)械減輕人類體力勞動(dòng)的應(yīng)用越來越多。智能物料運(yùn)載車不但可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以提高效率，增強(qiáng)安全性，提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力等，在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

1智能運(yùn)載車的結(jié)構(gòu)及其發(fā)展

美國(guó)Basrrett電子公司于1953年開發(fā)成功世界上第一臺(tái)自主導(dǎo)航車，由一輛牽引式拖拉機(jī)改造而成的，可以在一間雜貨倉庫中沿著布置在空中的導(dǎo)航線運(yùn)輸貨物。運(yùn)載車的結(jié)構(gòu)隨著技術(shù)進(jìn)步不斷地改變創(chuàng)新，性能也得到了質(zhì)的飛躍，人性化、重型化、微型化、智能化已成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。運(yùn)載車一般由車主體、動(dòng)力裝置、控制裝置三部分組成。

1.1智能運(yùn)載車的結(jié)構(gòu)

智能運(yùn)載車的結(jié)構(gòu)課分為底盤、動(dòng)力裝置和控制裝置三部分。一般的運(yùn)載車配有四個(gè)輪子，車底盤采用具有一定的強(qiáng)度的鋼材，通過控制機(jī)構(gòu)實(shí)施前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、停車等，可以采用后輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向的方式、差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式或四個(gè)輪子全驅(qū)動(dòng)方式。

1.2智能運(yùn)載車的動(dòng)力源

智能移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力源大致分為四種：電氣式、液壓式、氣壓式和機(jī)械式。還可以分為內(nèi)部?jī)?chǔ)存、外部供給、內(nèi)部產(chǎn)生等方式。車間用運(yùn)載車一般用蓄電池及其充電控制裝置，電池大多使用有鉛酸蓄電池、鎳鋅蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等電池，還要準(zhǔn)備安全的充電設(shè)備，和必備的安全裝置。

1.3智能運(yùn)載車的安全裝置

智能運(yùn)載車在運(yùn)行過程中存在著很多危險(xiǎn)因素，其安全裝置很重要，不但對(duì)運(yùn)載車在運(yùn)行過程中的安全做保障，而且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的人員和工廠里的設(shè)備有著很大的保障。軟件上，當(dāng)智能運(yùn)載車遇到危險(xiǎn)情況下，比如觸碰墻壁、人員等，車子即刻通過防觸碰傳感器感知，而后做出停車或倒退的動(dòng)作。硬件上，在現(xiàn)場(chǎng)用顯眼的警示牌張貼在智能車經(jīng)常出沒的路線上，在智能車的上端配置安全燈，旁邊佩戴聲音裝置。當(dāng)遇到危險(xiǎn)路況閃爍并報(bào)警，提示周圍人員注意。

2智能運(yùn)載車的行走策略

2.1智能運(yùn)載車的路徑規(guī)劃和自主導(dǎo)航方法

2.1.1智能運(yùn)載車的路徑規(guī)劃

基于模板匹配路徑的規(guī)劃技術(shù)，是將機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)和環(huán)境與過去進(jìn)行比較，找到相近的狀態(tài)并進(jìn)行修改，從而得到一個(gè)新的路徑。這種方法在環(huán)境確定的情況下，有著較好的應(yīng)用效果，原理簡(jiǎn)單、匹配成功效果好。但缺點(diǎn)是依賴于機(jī)器人過去的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)一旦外界環(huán)境發(fā)生改變，要及時(shí)改變模板。

基于人工勢(shì)場(chǎng)路徑規(guī)劃技術(shù)的思想是將機(jī)器人在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)視為一種在虛擬人工受力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，障礙物對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生斥力，而目標(biāo)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生引力，這樣引力與斥力的控制下就會(huì)產(chǎn)生對(duì)機(jī)器人的控制力，從而避開障礙物到達(dá)目標(biāo)位置。早期的路徑規(guī)劃環(huán)境是靜態(tài)的，保持不變的靜態(tài)人工勢(shì)場(chǎng)，就是障礙物和目標(biāo)都是靜態(tài)不變的，機(jī)器人只要根據(jù)目標(biāo)和障礙物的位置，具體規(guī)劃出具體的路徑，而后達(dá)到目標(biāo)終點(diǎn)。然而現(xiàn)實(shí)生活中，目標(biāo)終點(diǎn)往往是動(dòng)態(tài)的，周圍的環(huán)境也是動(dòng)態(tài)的，也就是說障礙物和目標(biāo)終點(diǎn)都是移動(dòng)的，為了解決這樣的動(dòng)態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，人們提出一種相對(duì)動(dòng)態(tài)人工勢(shì)場(chǎng)的方法，把時(shí)間看成規(guī)劃模型的一維參考量，而移動(dòng)的障礙物在擴(kuò)展模型中仍然被看做是靜態(tài)的，這樣動(dòng)態(tài)的障礙物在擴(kuò)展的模型中仍然被看成是靜態(tài)的，這樣的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃仍可運(yùn)用靜態(tài)路徑規(guī)劃方法加以實(shí)現(xiàn)。

基于地圖構(gòu)建路徑規(guī)劃技術(shù)是根據(jù)機(jī)器人自身傳感器接收道德信號(hào)，搜尋道德存在障礙物等信息，將機(jī)器人所處周圍環(huán)境劃分成不同的網(wǎng)格空間，計(jì)算機(jī)根據(jù)網(wǎng)格空間的障礙物的占有情況，再依據(jù)一定的規(guī)劃確定最優(yōu)的路徑。其中地圖的構(gòu)建又分為可視線法、切線圖法、Voronoi圖法、概率圖展開法等。目前，地圖構(gòu)建技術(shù)已成為移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃研究的熱點(diǎn)之一。

人工智能路徑規(guī)劃技術(shù)就是將現(xiàn)代人工智能技術(shù)運(yùn)用在移動(dòng)型機(jī)器人的路徑規(guī)劃過程中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化計(jì)算、模糊邏輯與信息融合等。其中遺傳算法是最早應(yīng)用在組合優(yōu)化問題的智能優(yōu)化算法，該算法和派生算法在機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。不足之處在于遺傳算法和蟻群算法的路徑規(guī)劃技術(shù)主要針對(duì)路徑規(guī)劃中的部分問題。

2.1.2移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航方法

自主導(dǎo)航方式就是指讓機(jī)器人、運(yùn)載車運(yùn)行的方向和路徑按照我們所想要的方向和路徑進(jìn)行。如激光導(dǎo)航、坐標(biāo)導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、路徑導(dǎo)航規(guī)劃等。

光學(xué)導(dǎo)航就是在地面上連續(xù)鋪設(shè)一條用發(fā)光材料制成的帶子，或者用發(fā)光材料涂抹在規(guī)定的運(yùn)行路徑上。而后在機(jī)器人運(yùn)載車底盤上安裝檢測(cè)反射光的傳感器，用左右偏差來測(cè)定校正控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)和方向。若把發(fā)光材料帶子換成金屬磁帶，安裝磁性傳感器，根據(jù)檢測(cè)的磁場(chǎng)來確定就是磁導(dǎo)航。

電磁感應(yīng)導(dǎo)航方式與磁性導(dǎo)航相似，它也是在地面上預(yù)先設(shè)定規(guī)劃行駛路線，在相應(yīng)的路線下埋下電線，當(dāng)高頻電流流過導(dǎo)線，周圍相應(yīng)的產(chǎn)生電磁場(chǎng)，在機(jī)器人運(yùn)載車上左右對(duì)稱安裝若干個(gè)電磁傳感器，他們所接收的電磁信號(hào)的強(qiáng)度差異可以矯正行駛路線的偏離度。根據(jù)這樣的信號(hào)就可以控制機(jī)器人運(yùn)載車的方向。

激光導(dǎo)航方式是在機(jī)器人運(yùn)載車上安裝可以旋轉(zhuǎn)的激光掃描器，同時(shí)保證在需要經(jīng)過的路徑途中的墻壁或者支柱上安裝高光性反射板，然后根據(jù)接收四面八方的定為標(biāo)志放射回來的信號(hào)，計(jì)算此時(shí)處在的位置和運(yùn)動(dòng)方向。通過內(nèi)置的數(shù)字地圖來進(jìn)行方位的矯正，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。同樣若激光信號(hào)改成紅外發(fā)射器或者超聲波發(fā)射器即可變成紅外導(dǎo)航或者超聲波導(dǎo)航方式。

視覺導(dǎo)航方式就是在機(jī)器人運(yùn)載車中設(shè)置有行駛周圍路徑的圖像數(shù)據(jù)，在行駛過程中，通過車載攝像機(jī)和傳感器獲取周圍的圖像信息并和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，從而確定相應(yīng)的位置，作出下一步?jīng)Q策。

2.2選擇最佳路徑的方法

智能物料運(yùn)載車使用空間是在相對(duì)靜態(tài)的車間里，所以可以選擇用模板匹配的方法進(jìn)行路徑匹配。這個(gè)模板庫中要盡可能地包含已經(jīng)產(chǎn)生的路徑信息和環(huán)境信息，同時(shí)這些模板均可以通過特定的索引而獲取到。當(dāng)機(jī)器人在規(guī)劃路徑時(shí)候，根據(jù)所處的環(huán)境信息和路徑信息進(jìn)行信息匹配，尋找到一條最優(yōu)的模板，然后進(jìn)行相應(yīng)的修正，并作為最后的結(jié)果。一旦車間結(jié)構(gòu)或者位置發(fā)生改變，只需要改變模板庫路徑，即可實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)載車準(zhǔn)確的到達(dá)目標(biāo)位置。同時(shí)還要考慮避障問題，大概分為兩類：基于路徑規(guī)劃法和基于傳感器反映避障法。基于路徑規(guī)劃法避障是假設(shè)周圍的環(huán)境是靜態(tài)不動(dòng)的，傳感器反映式避障法則無需事先規(guī)劃，可將兩種避障方法同時(shí)使用時(shí)候提高可靠性。

3結(jié)語

車間智能車物料運(yùn)載車可以有效減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)車間之間的有效銜接，定會(huì)成為未來科技發(fā)展的主流。

參考文獻(xiàn)

[1]譚民，王碩.機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，07：963-972.

[2]丁立軍，華亮，陳峰. 基于超聲波傳感器與紅外傳感器的移動(dòng)機(jī)器人感測(cè)系統(tǒng)研制[J]. 南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，02：13-17.

[3]周東健，張興國(guó)，馬海波，李成浩，郭旭. 基于柵格地圖-蟻群算法的機(jī)器人最優(yōu)路徑規(guī)劃[J]. 南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，04：91-94.

[4]尤小丹，宋小波，陳峰. 環(huán)境自適應(yīng)軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式和路徑規(guī)劃研究[J]. 南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，03：28-33.

[5]蔣陶然，沈卓煒. 一種基于無性繁殖遺傳算法的多移動(dòng)節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃方法[J]. 南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，03：40-46.

[6]寧桂英，周永權(quán). 基于差分進(jìn)化算法的收斂性分析[J]. 南通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，03：90-94.