灾难救援机器人研究现状及机器人路径规划

灾难救援机器人研究现状及路径规划概述

主要内容容2.什么是路路径规划划3.路径规划划的常用用方法4.人工势场场法1.灾难救援援机器人人研究现现状1.1日日本的研研究2002年开始始,日日本文化化科学部部确立了了“大大都市大大震灾减减灾特别别计划””的研研究计划划,进一一步开发发在地震震中使用用的救援援机器人人。研研发内容容包括用用于观察察灾难环环境的机机器人系系统、传传感技术术、人类类接口技技术和系系统集成成川崎市为为该项目目建立了了公用试试验场地地,并建建立了国国际救援援系统研研究所。。目的是实实现在非非常困难难的大规规模灾害害救援活活动中,,即使使是在混混乱中也也能对进进行情报报收集和和判断,,根据据灾害状状况进行行最优的的救助。。计划中主主要研究究工作有有对机器器人、智智能传感感器、携携带终端端装置和和人机接接口等进进行研究究开发,,进行行能动地地、智能能地情报报收集,,用网网络进行行情报的的传递、、汇总和和归纳等等。1.1日日本的研研究日本东京京工业大大学的广广獭是最最早从事事救援机机器人研研究的学学者之一一,从从仿生的的角度和和基于超超机械系系统的思思想先后后研制了了多系列列救援机机器人样样机。1.1日日本的研研究一些大公司司也介入入了救援援机器人人的研究究和开发发,他他们通常常采用与与研究所所或和大大学进行行合作的的形式进进行研究究,一一方面企企业为研研究所提提供必要要的研究究资金和和试验场场地,同同时企企业还为为研究成成果的产产品化提提供通往往市场的的桥梁如图所示示的五种种机器人人分别为为东芝、、三菱重重工等公公司研制制。1.2美美国的研研究“9..11””事件件后,灾灾难救救援机器器人技术术在美国国日益受受到重视视。“9.11”事事件的的灾难现现场救援援认为是是灾难救救援机器器人的第第一次实实际应用用。在纽约世世界贸易易中心遭遭到恐怖怖袭击发发生后几几小时,,美国国“机机器人辅辅助搜救救中心””应纽纽约市紧紧急事务务管理办办公室要要求,立立即组组织了一一支由机机器人专专家和生生产厂家家技术人人员构成成的队伍伍。1.3中中国的研研究提出围绕绕奥运会会和世博博会的安安保工作作,研研发我国国的立体体安全保保卫装备备系统的的建议，，具体体是研究究开发适适用于地地面、墙墙面、涵涵道的先先进探测测机器人人、超小小型飞行行器、浅浅水潜游游探测机机器人,,形成成能对奥奥运会的的运动场场馆、世世博会的的会展现现场以及及重要设设施和场场所进行行全方位位立体的的危险品品探测以以及对重重要场所所进行立立体应急急处理安安全保卫卫装备系系统。在863计划资资助下,,中国国科学院院沈阳自自动化研研究所开开展了多多项危险险作业和和极限作作业机器器人研究究,其中中救援机机器人是是重要的的一个部部分。1.3其其它国家家的研究究意大利罗罗马大学学系统科科学与工工程学院院人工智智能实验验室启动动了“救救援工工程”加拿大国国防部从从国防安安全的角角度制定定了救援援机器人人研究计计划英国、伊伊朗等国国也涌现现了许多多救援机机器人研研究者和和救援机机器人比比赛的参参与者……1.4灾灾难救救援机器器人关键键性能救援机器器人的关关键性能能主要有有以下几几个方面面:存活能力力运动能力力感知能力力通讯能力力作业能力力。1.4灾灾难救救援机器器人关键键性能存活能力力:救援机器器人的存存活能力力主要是是机器人人本体的的可靠性性、耐用用性和适适应性问问题。灾灾难后环环境中存存在毒气气、毒液液、生化化、放射射性、非非常温和和二次倒倒塌等危危险,机机器人人对环境境的适应应特别重重要。在在温度方方面,灾灾难后环环境存在在高温可可能,机机器人人本体必必须能够够克服条条件的影影响,设设计时时在材质质的选择择上需要要进行周周密的考考虑。在救援机机器人的的能源供供给方面面,需需要采用用有线和和无线相相结合的的方式,,以保保障救援援机器人人足够的的动力和和工作时时间。应该具有有自适应应能力,,具有有预见能能力。它它们应该该能适应应环境,,适合合完成挑挑战性的的工作,,并且且具有智智能以至至于能够够应对由由各种不不稳定和和不确定定的因素素所引起起的干扰扰。1.4灾灾难救救援机器器人关键键性能运动能力力:灾难救援援环境对对机器人人的运动动能力要要求较高高,机器人移移动平台台十分重要要。机器人必必须不断断地翻越越各种垂垂直的障障碍物,,平台台的稳定定性和自自调整能能力很重重要,要要尽可可能避免免由从高高度坠下下而将机机器人摔摔碎。目目前解决决这些困困难的方方法是设设计一种种蛇形机机构,这这种机机构已被被证实是是有效的的搜救机机构之一一。灾难后环环境存在在松软的的灰土地地面、由由于消防防用水或或漏水导导致的泥泥泞路面面及坎坷坷不平的的废墟地地面等多多种地面面地形,,机器器人必须须具有高高度的地地面适应应性能,,在轮轮式、履履带式和和腿式等等移动机机构当中中,履带、轮轮、腿复复合的复复合移动动机构将将被广泛泛采用。。1.4灾灾难救救援机器器人关键键性能感知能力力:对救援机机器人而而言,救救援机机器人的的传感器器是最脆脆弱的元元件,它它主要要有三个个方面的的传感要要求对机机器人的的控制、、对环境境的检测测和对遇遇难者的的发现。。机器人的的控制方方面,为为了让让机器人人正常工工作,必必须对对机器人人的位置置、姿态态、速度度和系统统内部状状态等进进行检测测,系系统可以以采用传传统机器器人的摄摄像机、、激光测测距仪、、超声测测距仪、、接触和和接近传传感器、、红外线线传感器器和雷达达定位传传感器等等。新的技术术如数字字温度摄摄像机具具有很好好的识别别能力,,但是是对操作作者具有有很高的的要求。。地面穿穿透雷达达、微波波雷达、、激光探探测仪具具有很好好的效果果,但但是系统统的花费费和能量量消耗均均较多,,另外外的一种种可能就就是利用用人工智智能技术术、纳米米技术或或仿生技技术来开开发价格格低传感感器。救援机器器人多传传感器之之间存在在信息的的处理和和融合问问题。1.4灾灾难救救援机器器人关键键性能通信能力力:操作人员员和机器器人之间间的通信信、操作作人员和和遇难者者之间的的通信和和多救援援机器人人之间的的通信。。所有的的通信通通常采用用无线的方方式。理想的情情况是自自主机器器人具有有通过灾灾难现场场一切环环境的能能力,对对遇难难者进行行定位,,与救援援队伍进进行通讯讯和联系系实际上上,这这里包含含了大量量的软件件处理与与计算,,机器器人自身身难以独独立完成成,人机机交互的的介入是是必要和和必须的的。多救援机机器人之之间的通通讯,受受到废废墟遮挡挡的影响响,目目前还不不能够很很好地在在救援机机器人系系统中实实现,但但是它它也是迫迫切需要要解决的的问题之之一。1.4灾灾难救救援机器器人关键键性能机器人的的作业能能力是机机器人的的存活能能力、运运动能力力、感知知能力、、通信能能力和人人机交互互有机结结合的体体现,它它主要包包括以下下几个方方面：勘探搜寻救助1.5灾灾难救救援机器器人发展展方向1、多种技术术融合化化1.5灾灾难救救援机器器人发展展方向2、多智能体体网络化化2.1定定义依据某种种最优准准则，在在工作空空间中寻寻找一条条从起始始状态到到目标状状态的避避开障碍碍物的最最优路径径。需要解决决的问题题：1.始始于初始始点止于于目标点点。2.避避障。3.尽尽可能优优化的路路径。2.什么是路路径规划划3.机机器人人路径规规划常用用方法3.4人人工势势场法3.1基基于几几何构造造的方法法3.2栅栅格法法3.3智智能化化路径规规划方法法3.1基基于几何何构造的的方法（（自由由空间法法）基本步骤骤：1.将机机器人抽抽象为点点，适当当扩大障障碍物的的大小。。2.构造造自由空空间。3.采用用图搜索索算法如如Dijkstra算算法寻找找最优路路径。3.1..1基于于几何构构造的常常用算法法可视图法法

Voronoi法

3.2栅栅格法（（1）图中灰色区域为为障碍物物3.2栅栅格法（（2）图中黄色色的路线线表示该该算法得得到的最最优路径径3.2D*（dynamicA**)算法法（3））美国火星星探测器器核心的的寻路算算法就是是采用的的D*算算法适合于动动态路径径规划D*算法法的思路路可以推推广到改改造自由由空间法法使其具具有动态态规划功功能3.3智智能化路路径规划划方法基于逻辑辑推理的的路径规规划方法法基于模糊糊逻辑的的路径规规划方法法基于强化化学习的的路径规规划方法法基于遗传传算法的的路径规规划方法法基于神经经网络的的路径规规划方法法3.3..1基于于逻辑推推理的路路径规划划方法1.定义义一个状状态（state）集集，该集集合反映映机器人人通过传传感器测测得的当当前状态态。2.定义义一个行行为（action））集，该该集合反反映了机机器人当当前可以以采取的的动作。。3.确定定从状态态到行为为的映射射关系。。3.3..2基于于模糊逻逻辑的路路径规划划方法在基于逻逻辑推理理的路径径规划方方法基础础进行改改进：传感器的的一次测测量值与与多个状状态对应应，每个个状态有有一个隶隶属度对对应。根据模糊糊推理结结果确定定行为。。3.3..3基于于强化学学习的路路径规划划在基于逻逻辑推理理的路径径规划方方法基础础进行改改进：具有在线线学习功功能（通通过Q学学习算法法实现））3.3..4基于于遗传算算法的路路径规划划（1））建模：对2维路路径规划划问题，，将待规规划的路路径看成成是n个个点组成成的点集集，除初初始点和和目标点点外其余余n-2个点{{（xi，yi）}i=2,,