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人工勢場算法是一種模擬物理力場的算法，它的基本思想是將機(jī)器人在周圍環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)成一種抽象的人造引力場中的運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)點(diǎn)對移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生“引力”，障礙物對移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生“斥力”，最后通過求合力來控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

（1）傳統(tǒng)人工勢場算法原理

無人車在行駛途中最大的人工勢場引力源自目標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)勢力場為零時(shí)，兩者之間距離為零，表示車輛已到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。無人車只有在障礙物勢場范圍內(nèi)才會(huì)受到斥力勢場的影響，在障礙物勢場范圍內(nèi)，無人車受到的勢場斥力與無人車和障礙物之間的距離成反比。勢力場函數(shù)用于描述運(yùn)行過程中目標(biāo)點(diǎn)和障礙物對無人車產(chǎn)生的影響，需要考慮無人車向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)的效率問題來構(gòu)建專門的函數(shù)衡量勢場的大小。

在構(gòu)建的虛擬人工勢場中，無人車受到的力是障礙物的斥力和目標(biāo)點(diǎn)的引力的合力，該合力為矢量，合力的方向決定了無人車的行駛方向。障礙物的數(shù)量可能不止一個(gè)，因此無人車可能會(huì)受到多個(gè)斥力作用，在使用人工勢場算法做路徑規(guī)劃時(shí)，要將無人車受到的所有斥力和引力按矢量運(yùn)算原則相加，在合力的作用下向目標(biāo)點(diǎn)靠近。

（2）傳統(tǒng)人工勢場算法井下應(yīng)用存在的問題

人工勢場算法起初主要應(yīng)用于機(jī)器人局部路徑規(guī)劃，隨著無人駕駛技術(shù)的發(fā)展才逐漸應(yīng)用于地面車輛的路徑規(guī)劃中。機(jī)器人在使用人工勢場法進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)很少考慮道路的約束，但是無人車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是時(shí)變的，障礙物數(shù)量、形狀和位置也具有不可預(yù)知性，導(dǎo)致無人車在構(gòu)建的虛擬勢場中會(huì)出現(xiàn)局部最優(yōu)解和目標(biāo)不可達(dá)問題。當(dāng)無人車在某個(gè)引力與斥力大小相等，方向相反的位置時(shí)，無人車受力為零，陷入局部最優(yōu)解。當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)與障礙物之間的距離較近時(shí)，斥力非常大，引力相對較小，導(dǎo)致無人車出現(xiàn)目標(biāo)不可達(dá)。在地面無人駕駛車輛的路徑規(guī)劃過程中，經(jīng)典的做法是建立車道線勢場，此前也有研究人員將人工勢場算法用于煤礦機(jī)器人的路徑規(guī)劃，但是沒有考慮巷道的約束，故難以直接用于無軌膠輪車在井下巷道內(nèi)的無人駕駛。