论述自动导航小车的路径规划与控制

【摘 要】自动导航小车是科技不断进步的产物，在这个小车中安装了自动导航装置，可以使小车沿着指定的路径行驶，这种类型的小车具有较高的安全性，而且功能更多，是自动化物流系统中一项重要的设备。在研究自动导航小车时，需要对其路径规划以及控制系统进行深入的研究，还要尽量降低设计中存在的误差，这样才能使自动导航小车在复杂的环境下更好的运行。本文对路径规划的定义以及方法进行了介绍，还对不同环境下自动导航小车的路径规划策略进行了分析，最后对自动导航小车各部分软件的控制进行了探讨，以供参考。

【关键词】自动导航小车；路径；规划；控制

随着科技的不断进步，我国自动化技术发展越来越好，这对提高人们的生活质量有着较大帮助。应用自动化技术，可以生产出具有更多功能的机器与设备，比如，自动导航小车就是一种新型的机器，其具有自动定位与行驶的特点，可以利用计算机技术，对小车的行驶路径进行规划与控制。自动导航小车的设计与制作涉及多个领域，在科技不断发展的背景下，我国自动化控制水平越来越高，这也促进了自动导航小车的发展。下面笔者对自动导航小车的路径规划以及控制方法进行简单分析。

1.自动导航小车路径规划的定义与方法

1.1自动导航小车路径规划的定义

有学者对自动导航小车这类机器的路径规划有着如下定义：在自动导航小车中，设有自动导航系统，该系统是由较多的刚体部件构成的，而且有着不同的自由度。如果该系统可在二维或者三维空间中运行，则说明小车可以在不破坏自身运动约束的条件下，进行自由运动。另外，在工作空间中，也存在较多的几何参数障碍。路径规划指的是自动导航小车在系统设定的连续动作下，由给定的初始位形运动到目标位形的设计。位形指的是自动导向小车位置与形态，相关设计人员通过改变位形，可以控制小车的行车路线。

1.2路径规划的方法

自动导航小车路径规划的方法主要有两类，其一是传统方法，其二是智能方法。第一类传统路径规划方法中，常用的有自由空间法、图搜索法、人工势场法等；第二类智能路径规划方法中，常用的是基于遗传算法的路径规划、基于人工势场的路径规划等等。在现代自动导航小车设计中，应用智能方法比较多，其可以提高路径规划的准确性，下面笔者对自动导航小车的路径规划常用的几种智能方法进行简单的介绍。

1.2.1基于遗传算法的路径规划

基于遗传算法的路径规划在自动导航小车路径研究中应用比较广泛，其是由国外的学者提出的，是在模拟达尔文生物进化论的基础上创建的，应用这种方法可以解决传统路径规划中存在的漏洞。遗传算法具有随机性，而且具有针对性，利用遗传算法可以对自动导航小车的移动路径进行准确的规划，其具有高效的特点。

1.2.2基于人工势场的路径规划

人工势场是一种虚拟的方法，其将自动导航小车的运动路径看做是人工受力场下运动，应用虚拟的方法，主要是利用障碍物对自动导航小车所产生出的斥力，以及目标点对小车产生的引力而完成运动路径的。在斥力与引力的共同作用下，自动导航小车可以从初始位形移动到目标位形，由于斥力与引力对小车的速度有着较大影响，所以，利用加速力相关人员还可以计算出小车所处的位置，从而控制小车的运动方向以及路径规划。

2.不同环境下自动导航小车的路径规划策略

自动导航小车是一种新型的机器，其在未知的环境下，收集信息的情况也有一定差异，通过分析发现，其收集信息主要有两种类型，一种是在已知的信息环境下，全局路径的规划；另一种是在未知的环境信息下，局部路径的规划。下面笔者主要对静态已知环境下局部路径规划方法以及静态未知环境下局部路径规划方法进行分析。

2.1静态已知环境下局部路径规划方法

静态已知的信息环境下，对小车局部路径进行规划是一种比较容易实现的方法，这种规划方法有着广泛的应用空间，这种方式最早应用的是可视图算法，随着科技的不断发展，相关人员又提出了随机路图法，这两种方法有着各自的适用范围。可视图算法提出的时间比较早，其广泛应用是在1987年，研究人员利用可视图算法，解决了小车路径规划问题。可视图是由节点与可视边组成，在已知的环境下，技术人员通过设置障碍点以及目标点，可以帮助小车快速到达指定位置。为了提高小车运动的效率，设计人员需要了解可视图算法的最短路径定理，该定理指出，从初始点到目标点含有穷路径集合，为了得到最短路径的算法，需要全面考虑可视图构造，这种方法在二维空间中发挥较高的效用，但是在高维空间中并不适用。

2.2静态未知环境下局部路径规划方法

静态未知环境下，自动导航小车需要利用自身传感器对环境进行感知，在获得局部信息后，对局部路径进行规划，这种规划方式主要采用了势场法，但是在应用的过程中也存在一定局限性，设计人员需要重点考虑梯度以及积分问题，而且需要通过分析多个局部信息，掌握全局信息。这种路径规划法效用的发挥与传感器性能有较大关系，为了更好的掌握全局信息，设计人员多采用的是实时传感器。这种规划方法的基本思路是：自动导航小车向目标点运动的过程中有多种路径，相关人员需要将所有可能性进行量化，在通过分析障碍物信息，从而得出最佳的规划路径。在对通路进行检测时，要避免小车进入死路，通过测量障碍物间的距离，判断小车是否可以通行，如果通路被堵塞，则需要重新优化路径。

3.自动导航小车的路径控制

控制软件与各模块驱动程序是保障系统正常运行不可或缺的部分。控制软件在主机上实现，各模块驱动程序在各自模块中运行，控制软件与各模块驱动程序之间可通过主从式结构进行必要的通信联系。子机可向主机发出异常情况处理信号，利用通信技术，还可以控制各子模块的运行状况。

3.1运动控制的位置环调节

参数调节运动控制驱动器的位置控制回路时，运用基于观测器的状态变量控制技术。采用此技术，运动控制驱动器的优点是：⑴系统将具有很高的动态刚度；⑵即使负载和电机的惯量有较大差别，仍可有效减少跟踪误差。在运动之前，必须进行轨迹参数设置及完成参数设置。初始调节时，一般设定运动速度、加速度、加加速度为较大值，而运动位置为一较小值。

3.2轴的运动

轴运动有两种，一种是单轴运动，另一种是多轴协调运动。单轴运动是指某一种运动模式设定后，该轴将保持这种运动模式，直到设置新的运动模式为止。多轴协调运动是指运动控制器可以实现两种轨迹的多轴协调运动。对于各模式之间的切换，除电子齿轮模式之外，其他模式必须是在当前轴运动完全停止的情况下进行。控制器中不同的轴可以工作在不同的运动模式下，在某些情况下，为了安全起见，需要在某些位置或某个时刻使运动停止。

4.结语

通过上文的分析可以看出，自动导航小车具有较高的性能以及较多的功能，其性能体现了我国科技的进步性。在计算机技术的影响下，相关设计人员利用传感器，使自动导航小车获取周围环境的信息，其获取的方式有两种，一种是在已知的信息环境下，获取全局信息，另一种是在未知的环境下，获取局部的信息。为了更好的控制小车路径，相关人员需要掌握传感器信息融合算法，还要避免外界环境对信息准确性的影响，这样才能提高路径规划与控制测量的可行性。

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