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藤壶包裹的钥匙:基于人工智能算法的仿生机器人行动的设计

时间: 2019-03-13阅读:

摘要 仿生机器人是依据仿生学的原理,模仿实际的生物结构和运动特征等设计的具有优秀性能的机电系统,其现已逐渐在反恐防爆、太空探索、抢险救灾等不适宜由人进行任务的环境中有所应用。其按照工作环境可将仿生极其人分为海陆空三种仿生机器人。而仿生机器人的行动以及其路径的规划一直是仿生机器人的研究重点之一,而应用人工智能算法对其进行路径规划,可以达到较好的路径規划求解效果,并具备有较高的弹性。

【关键词】人工智能算法 仿生机器人 行动设计

人工智能是一门综合性较强的学科,涵盖了除一般认知中包括的计算机技术以外,还融合有数学、统计学、物理学甚至生物学等多方面的内容。目前,人工智能的研究方向主要是智能机器人系统,其中就包括有仿生机器人的行动设计,需通过人工智能算法来设计一系列的计算机程序以模拟人类的各种生物智能的行为,甚至最终可以超越人类智能或与其相媲美。基于该项学科的理论,设计仿生机器人的行动及路径规划。

1 仿生机器人的路径规划

仿生机器人的行动路径规划基本存在三种方式:

1.1 整体性路径规划

整体性路径规划又可以叫作全局式路径规划,主要建立在进行规划前,设计的路径工作条件已经全部完成并己知的,关键点在于路线的整体己知性,所以此方式可以高效规划多种路径,然后进行比较。然而整体性路径规划法处于离线状态,无法准确感应动态环境,因而此方法通常用于不联网的仪器,进行离线化的分析。

1.2 局部性路径规划

局部性路径规划实质上是一种在线操作,它与第一种方法的差别在于,设计的路径工作条件并不是全部已知甚至是未知的,仿生机器人在工作中通过传感器的引导获取信息,进而进行处理。此方法的特色在于能够在突发情况下对仿生机器人进性人工调整,从而应对各种情况,因此局部性路径规划是可以随时反应的,相当于一个在线导航。

1.3 综合性路径规划

综合性路径规划是对多种方法的综合,具备整体性路径规划和局部性路径规划的特点。在仿生机器人的研究设计中,此类方法是重点研究对象,目的在于根据路径线索,环境条件,设计出能够使仿生机器人通常到达重点的最佳路径。综合法不仅克服了整体法的离线,又结合了局部法的实时性,从而得到最佳的路径规划方式。

2 仿生机器人行动的人工智能算法

就仿生机器人的路径规划而言,人工智能算法是其中的关键问题,当前仿生机器人行动设计中有以下几种算法:

2.1 单元格法

单元格法是指把机器人所处空间划分为相互连通但不重叠的基本单元格,再将多个单元格组成一个总体图,再通过对路径中障碍物的分析,从图中找到一条由起始单元格到终点单元格的无障碍物最佳途径。可以把此方法中的各个单元格看作棋盘上的不同棋子便于理解。

重点要提到的是下面两种方法:

2.2 人工势场法

人工势场法,即将仿生机器人的行动空间视作一个势场,它的广泛应用主要在于简便的模型设计和便于实现的优点。此方法的主要构思是把仿生机器人置于的含有障碍物的环境视为一个势场,在势场中运动的仿生机器人必然受到力的作用,场施加引力,障碍物施加斥力,因此引力和斥力相结合,放生机器人的行动受到控制,进而躲避障碍物最优化达到终点。此方法的原理与物理学中原子核的受力情况相似,原子核受引力、斥力,并在此情况下最终稳定下来。

人工势场法的构成比较简单明了,不仅能够避开障碍物,还可以进行轨道控制,但除此之外也存在一些缺陷。人工势场法中仿生机器人可能在到达中点之前暂停在局部更合适的地方,从而造成死锁,以至于无法进行搜索,所以技术的更新也在攻克这一类难题。

2.3 遗传算法

遗传算法有完善的原理基础,即达尔文生物进化论中提到的“适者生存”,此方法利用随机性进行搜索从而选择最佳方式。遗传算法包括了三个步骤:提出问题并分析、对函数进行评价、得到遗传算子,三点中最重要的在于得出遗传算子。遗传算子含有多种形式,遗传算法也在不断的改进,目前被仿生机器行动的领域广泛使用。遗传算子如同自然界生物体内的基因,拥有分化、进化等能力,进行不断的自我更新,而对于遗传算子的设置也十分重要。

其中插入算子,通过对自然单位格之间断开路径的插入,形成连续的行动路径。删除算子对多余的单元格进行筛选、删除最终形成最优化路径。

遗传算法的特点在于高质量与高效率,它不仅能够高质量的搜寻全局环境,搜索的准确率也很高,所以广泛应用于复杂环境中的设计。该算法的突出之处在于灵活性,但在收敛方面往往过早成熟或者出现速度过慢等问题。

不同的人工智能算法通过不同方面体现,例如路径的规划用时,整体长度,适应范围等等,就二、三两种方法而言,遗传算法路径的整体长度不比人工势场法,规划用时及速率也较低,反而言之人工势场法在这两方面就优胜于前者。因此最好的方式就是将各种方法的优点结合形成最优法。

3 结语

人工智能在未来的机器人设计等方面都有着十分重要的地位,人工智能仿生机器人的运动是其核心研究的方向和内容之一,笔者本次研究规划的仿生机器人路径的规划是人工智能算法应用的重点。相信通过人类不断地努力和进步,人工智能不再仅仅局限于一个算法之类,是可以融入人类生活,并提高生活质量与水平,保护环境并减少资源浪费,最后可以促进人类文明和社会的进步。

参考文献

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