基于蚁群算法的移动机器人全局路径规划方法研究_史恩秀

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1、2014年6月农业机械学报第45卷第6期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．06．009*基于蚁群算法的移动机器人全局路径规划方法研究史恩秀陈敏敏李俊黄玉美(西安理工大学机械与精密仪器工程学院，西安710048)摘要:依据蚁群算法的特点，对移动机器人的全局路径规划方法进行了研究。采用栅格法描述移动机器人的环境信息，仿真分析了蚁群算法的主要参数如蚁群数量m、启发因子α、期望启发因子β和信息素挥发系数ρ等对规划路径的长度和路径规划效率的影响。研究结果表明，当算法的参数匹配时，获得的规划路径不仅长度短，且路径规划效率高。通过仿真找到了最佳匹配参数组。基于仿真结果，

2、对工作在不同环境下的移动机器人进行了全局路径规划仿真实验，研究结果验证了蚁群算法最佳匹配参数组的准确性。关键词:移动机器人蚁群算法路径规划参数匹配中图分类号:TP242.6文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)06-0053-05蚁会根据这些信息素的强弱选择路径。当走到一未引言曾经过的路口时，会随机选择并释放信息素，信息素［11］移动机器人(Mobilerobot，MＲ)的路径规划是的多少与路径长短呈反比。随着时间的推移，较移动机器人研究的重要分支之一，是对其进行控制短路径上的信息素将会不断增加，而其他较长的路的基础。根据环境信息的已知程度不同，路径规划径上的信息素则会慢慢

3、的变少或消失，最终蚁群会［12］分为基于环境信息已知的全局路径规划和基于环境寻找到一条适合的最优路径。图1为蚁群的搜信息未知或局部已知的局部路径规划。目前，常用索原理。的移动机器人全局路径规划方法很多，如栅格法和［1－2］人工势场法。对于栅格法，当空间增大时，所需存储空间剧增，决策速度下降;而人工势场法容易产生局部最优解问题和死锁现象。随着智能控制技术*［3］［4］的发展，出现了如A算法、遗传算法、蚁群算［5－6］［7］［8］法、人工鱼群算法、粒子群算法和免疫算［9］法等。蚁群算法是一种启发式搜索算法，具有较强的鲁棒性、优良的分布式计算、易于与其他算法结合等图1蚂蚁觅食模拟原理图［10］优

4、点。本文采用蚁群算法对移动机器人进行路Fig．1Antsforagingsimulation径规划方法研究。重点对蚁群算法中的主要参数:(a)信息素设置(b)T=0时刻蚁群数目蚁群数量m、启发因子α、期望启发因子β和信息素(c)T=1时刻蚁群数目挥发系数ρ等对路径规划效率及规划路径的影响进图1中，设蚁穴是点A，食物源是点E，障碍物行仿真分析。为BCDH。在蚁穴到食物源中间有障碍物存在时，蚂蚁会智能由A经C或H到达E，或由E经C或H1蚁群算法描述到达A，BCD为1，BHD为2，如图1a所示。设在蚁1.1算法基本原理穴A与食物源E分别有30只蚂蚁，蚂蚁在单位时蚂蚁在寻找最优路径的过程中，是经过

5、蚁群的间内留下的信息素设为1。为方便起见，设信息素共同行为寻找到最优路径。在寻找最优路径的过程残留的时间也为1。在初始时刻，BC、CD、BH、HD中，蚂蚁会在其经过的路径上留下信息素，之后的蚂路径上都没有信息素，而位于A和E的蚂蚁在路口收稿日期:2013-07-07修回日期:2013-07-21*国家科技重大专项资助项目(2009ZX04014)作者简介:史恩秀，副教授，博士，主要从事智能移动机器人运动控制与导航技术研究，E-mail:shienxiu@163．com54农业机械学报2014年可随机选择路径。从统计学出发，蚂蚁选择BC、为障碍物占用栅格。初始化可选路径节点D={0，CD、B

6、H、HD的概率是相同的，如图1b所示。蚂蚁1，…，n－1};设置蚂蚁数目m、信息启发因子α、期经过了一个单位时间后，路径BCD上的信息素增望启发因子β、信息素挥发系数ρ;迭代次数Nc。禁加，路径BHD上的信息素减少。如图1c所示，有20忌表Bk(蚂蚁k当前所走过的栅格点)初始化为，只蚂蚁由B、C和D点到达E。随着时间越长，蚂蚁其中，k=1，2，…，m。选择起始点S和目标点E的选择路径BCD的概率将会越来越大，最后将会完全栅格号，并将蚁群放在起始点S。选择路径BCD，从而找到蚁穴与食物源间的最短路(2)蚂蚁个体根据状态从栅格i转移到邻接栅径。格j的转移概率为1.2环境建模αβτij(t)η

7、ij(t)(j∈C)首先建立移动机器人工作环境。设移动机器人pk(t)=∑τα(t)ηβ(t)(1)ijisis{s∈C的工作空间为二维空间(记为ＲS)，工作环境中的0(j瓝C)障碍物即为机床。在机器人运动过程中，障碍物为1静止且大小不发生变化。按栅格法划分ＲS，移动机其中ηij(t)=(2)dij器人在栅格间行走。无障碍物的栅格为可行栅格，C=D－Bk(3)有障碍物的栅格为不可行栅格。栅格集包含所有栅式中dij———移