基于相关空间法的自主导航算法研究

李健　黄一峰　王彬

（1.装甲兵技术学院吉林长春130117；2.东风商用车公司技术中心湖北武汉430100；3.湖北商贸学院湖北武汉430070）

基于相关空间法的自主导航算法研究

李健1黄一峰2王彬3

（1.装甲兵技术学院吉林长春130117；2.东风商用车公司技术中心湖北武汉430100；3.湖北商贸学院湖北武汉430070）

井下采矿工作自动化使驾驶员能够远离井下高危环境，并且能够更精准的驾驶车辆，为井下采矿工作提供了一种安全经济的开采模式，是一种井下采矿工作的发展趋势。本文在实车实验的基础上，对基于相关空间法的自主导航算法进行研究，这种地下矿车自主导航算法具有针对性强、安全高效的特点，在运行效果上能够超过人工操作。

相关空间法自主导航算法

一、相对式导航的特点

地下采矿工作中，相对式导航不依赖于预先设定的轨迹，仅仅通过自身对巷道周围环境的感知，引导地下矿车沿着宽敞的区域自主行驶。相对式导航的特点为：

1.无路径规划与精确定位需求。相对式导航需要车身自载传感器对周围环境与自身姿态探测，而不需精确定位与规划路径。

2.准确避障。绝对式导航仅能够预定出行驶路线，但是对非地图中出现的当前障碍点无法规避。相对式导航对周围环境实时监测，利用车身自载传感器及时探测到周围的环境，对所有障碍物都能够及时有效的避障，保证地下矿车安全有效自主行驶。

3.局部最优。相比绝对式导航工作，相对式导航算法是一种局部最优的算法，它需要结合全局最优算法完成整个自主导航工作。

4.具有一定的前瞻性。相对导航因其利用测距传感器来感知前方的道路信息，能够根据前方的道路信息提前预测出下一步的行驶决定，具有一定的前瞻性。

二、常用的相对式自主导航算法

在相对式导航中，核心内容是如何对当前环境做出反应判断，并驱动车辆完成自主避障。整个相对式导航过程中，自主避障是最为核心的内容，目前比较常用相对式导航自主避障的算法有：

1.模糊控制法。模糊控制法是一类应用模糊集合理论的控制方法，它没有像经典控制理论那样，把实际情况加以简化，从而建立起数学模型，而是通过人的经验和决策进行相应的模糊逻辑推理，并且用具有模糊性的语言来描述整个时变的控制过程。

2.人工势场法。它的核心是设想机器在运动过程中周围环境存在虚拟力量场，这个力量场会对机器人的运动有所牵涉和影响。目标位置对机器人有引力作用，而障碍物对机器人有斥力作用，这两种力形成了移动机器人的运动信息，从而使机器人自主计算出障碍物的位置，绕过它继续运动以完成任务。

3.遗传算法。遗传算法适合研究参数不确定系统的计算模型，通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，它的思路来源于达尔文生物进化论的自然选择以及遗传学机理的生物进化过程。

4.人工神经网络法。类似于大脑神经突触的联接，将神经元计算输入信号的权重和，并将结果和阀值比较，如果大于阀值则表示神经元被激活，输出为1，如果小于阀值则输出为-1。人工神经网络法可以完成自学习，是一种适用性较广的算法。

其他的还有前馈神经网络、栅格法等算法，这些算法特点突出，对不同环境下的运算结果也不同。

三、相关空间法

通过研究现有的相对式导航控制算法发现，影响车辆行驶的因素可以概括为在某一特定空间车辆周围环境信息，这也符合驾驶员实际驾驶感受。所有的驾驶决策信息都来自于行驶车辆的空间信息，而且空间与空间有相关性，正是这种相关性实现了车辆行驶的连续性。车辆行驶环境的空间信息可以转化为车辆行驶的决策信息。

相对式导航通过传感器来感知周围的环境信息，也可以通过已感知的环境空间信息来进行行驶决策，基于此本文提出了一种基于相关空间法的相对式导航算法，提出了相关空间法的概念定义。相关空间法的定义为：不同数值空间之间有相互影响，利用不同空间之间的相互作用结果来选取某一个特定空间最优值的算法即为相关空间法。本文提出了相关空间法，主要用于解决地下采矿工作中自主行驶问题。

在有关自主行驶的运用方面，相关空间法的一般思路为：确定多组空间V1-Vn，空间之间满足同一组组员之间不相关，而不同组的组员之间有相互作用。下式表示空间与空间内元素的信息。前两组信息为：

依此类推，第m组空间为：

对于这些空间而言，它们有评估值，评估数值取决于元素自身和其他空间中的元素，而不与自身所在空间中的其他元素相关。对于第k个空间中的第l个元素而言，其具体关系如下式表示：

式中λkl——第k个空间中的第l个元素的总评估值；

a11至a1s——右边矩阵的参数；

vkl——第k个空间中的第l个元素的值；

v11至vmq——非第k个空间的其他空间的所有元素值。

对于v11至vmq，他们都与评估值λkl相关联，而与λkl不相关。

相关空间法的算法框架简单实用，它表示元素的评估值与多种因素相关联，这与实际情况一致。相关空间法可运用于相互关联性强的区域，通过不同空间元素的作用相互制约，即可在一定情况下求得在多个环境因素的影响下的最优元素，此元素极有可能为最优解。

结论

通过对基于相关空间法的自主导航实验，验证了基于相关空间法的自主导航策略的可靠性，并且通过与人工驾驶进行比较，通过实验结果可知基于相关空间法的自主导航策略比人工驾驶方法更适合地下巷道环境中的采矿工作。