文档介绍：第七章机器人规划
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规划一词的通常理解是行动之前拟定行动步骤。在人工智能的研究范围中,规划实际上就是一种问题求解技术。特别的是,规划比起一般的问题求解,更注重于解决问题的过程,而不是求解的结果。而且,它所面对的经常是真实的问题世界,而不单是抽象的数学世界。因此,往往要牵涉到环境的动态变化、行为或操作的执行时间、多个作用因素等复杂问题。规划系统用于机器人,即为机器人规划,也称机器人问题求解,机器人规划系统的基本任务就是:在特定时间内及特定的工作区域中,要求机器人自动生成从初始的作业状态到目标状态的动作序列、运动路径和轨迹的控制程序。另外,监督、调整已知规划的实际执行也是机器人规划系统的应有功能。
任务规划的基本概念
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在日常生活中,规划意味着在行动之前决定行动的进程,或者说,规划这一词指的是在执行一个问题求解程序中任何一步之前,计算该程序几步的过程。一个规划是一个行动过程的描述。它可以像百货清单一样的没有次序的目标表列;但是一般来说,规划具有某个规划目标的蕴含排序。例如,对于大多数人来说,吃早饭之前要先洗脸和刷牙或漱口。又如,一个机器人要搬动某工件,必须先移动到该工件附近,再抓住该工件,然后带着工件移动。许多规划所包含的步骤是含糊的。而且需要进一步说明。譬如说,一个工作日规划中有吃午饭这个目标,但是有关细节,如在哪里吃,吃什么,什么时间去吃等等,都没有说明。与吃午饭有关的详细规划是全日规划的一个子规划。大多数规划具有很大的子规划结构,规划中的每个目标可以由达到此目标的比较详细的子规划所代替。尽管最终得到的规划是某个问题求解算符的线性或分部排序,但是由算符来实现的目标常常具有分层结构,下图所示的工作日规划就是一例。
规划的特性和作用
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子规划的分层结构例子
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缺乏规划可能导致不是最佳的问题求解;例如有人由于缺乏规划,为了借一本书和还一本书而跑了两次图书馆。此外,如果目标不是独立的,那么动作前缺乏规划就可能在实际上排除了该问题的某个解答。例如,建筑一个变电所的规划包括砌墙、安装变压器和铺设电缆线等子规划。这些子规划不是相互独立的,首先必须铺设电缆,然后砌墙,最后进行变压器安装。如果缺乏规划,颠倒了次序,就建不成变电所。 规划可用来监控问题求解过程,并能够在造成较大的危害之前发现差错。如果该问题求解系统不是问题求解环境中唯一的行动者,以及如果此环境可能按照无法预计的方法变化,那么这种监控就显得特别重要。例如,考虑某个在遥远星球上空运行的飞行器,它必须能够规划一条航线,然后,当发现环境状态与预期不合时,就进行重新规划。有关该环境状态的反馈与预期的规划状态进行比较,当两者存在差异时,就对此规划进行修正。规划的好处可归纳为简化搜索、解决目标矛盾以及为差错补偿提供基础。
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机器人规划系统一般包括任务规划和运动规划两级不同规划问题的子系统。任务规划子系统根据任务命令,自动生成完成该任务的机器人执行程序,如将任务理解为工作区的状态变化,则它生成的即为把初始状态一步一步变为目标状态的操作序列。运动规划子系统调用工作区模型和机器人模型信息,首先将任务规划的结果变成一个无碰撞的机器人运动路径,这称为路径规划;然后再将路径变为操作器各关节的空间坐标,形成运动轨迹,这称为轨迹规划。任务规划旨在产生动作序列,运动规划目的是设计空间路径。但实际应用中两者互相联系,密不可分。
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当机器人的手抓、臂或本体要穿行于存在障碍物的外部世界,去达到某个目标位置时,就需要在空间确定一条无碰撞的穿行路径,这就是空间路径规划问题,也称为