多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃研究.pdf

1、高質(zhì)量的規(guī)劃路徑是確保移動(dòng)機(jī)器人完成既定任務(wù)的關(guān)鍵所在。本文著重關(guān)注移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題。從研究單個(gè)機(jī)器人的路徑規(guī)劃問(wèn)題開始，到多個(gè)機(jī)器人沖突情形下的路徑規(guī)劃問(wèn)題、再到雙層倉(cāng)庫(kù)下的資源受限下的多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題，最后為工業(yè)環(huán)境下的非完整性移動(dòng)機(jī)器人開發(fā)出導(dǎo)航支持系統(tǒng)。旨在解決運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)約束，以及路徑質(zhì)量、路徑安全、資源分配等約束下的多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題。
　　首先，針對(duì)柵格環(huán)境下A*算法規(guī)劃出的移動(dòng)機(jī)器人路徑存在折

2、線多、轉(zhuǎn)折次數(shù)多、累計(jì)轉(zhuǎn)折角度大等問(wèn)題，為獲得較優(yōu)路徑，提出平滑A*算法。在A*算法規(guī)劃的路徑基礎(chǔ)上，遍歷路徑中的所有節(jié)點(diǎn)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)前后節(jié)點(diǎn)連線上無(wú)障礙物時(shí)，將延長(zhǎng)線路的這一中間節(jié)點(diǎn)刪除，建立平滑A*模型。仿真結(jié)果表明，平滑A*算法優(yōu)于Ant(蟻群)、Anytime D*算法。平滑A*算法降低路徑長(zhǎng)度約5％、累計(jì)轉(zhuǎn)折次數(shù)約50%、累計(jì)轉(zhuǎn)折角度30%～60%。平滑A*算法能處理不同柵格規(guī)模障礙物隨機(jī)分布的復(fù)雜環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題

3、。
　　隨后，給出一個(gè)兩階段法來(lái)為帶有移動(dòng)障礙物的二維和三維空間下的多移動(dòng)機(jī)器人規(guī)劃無(wú)沖突路徑。在第一階段中，將每個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的最短路徑作為目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)遵循避障約束、路徑平滑性約束以及速度和加速度約束。該問(wèn)題表述為積分變化問(wèn)題(CVP)。采用參數(shù)化方法，將CVP轉(zhuǎn)化成時(shí)變非線性規(guī)劃問(wèn)題并求解之。在第二階段，由優(yōu)先級(jí)方案為各個(gè)移動(dòng)機(jī)器人分配對(duì)應(yīng)的移動(dòng)順序；采用多級(jí)沖突消解策略來(lái)處理沖突。數(shù)值例子證實(shí)了方法的有效性。
　

4、　其次，研究如何為多移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)產(chǎn)生最短的平滑的避障和無(wú)沖突路徑，進(jìn)而引導(dǎo)其在有靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)障礙物的時(shí)變環(huán)境下高效導(dǎo)航。采用多項(xiàng)式表征路徑。規(guī)劃路徑應(yīng)滿足諸多約束：運(yùn)動(dòng)邊界約束、運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、避障約束、平滑性約束等。該問(wèn)題歸納成遵循上述的多約束條件下的時(shí)變非線性目標(biāo)函數(shù)。在模型中，整體處理所有的約束及沖突。設(shè)計(jì)時(shí)間基線協(xié)調(diào)方法來(lái)解決上述問(wèn)題。數(shù)值例子表明，提出的方法能成功地解決靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物下的多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題。
　　再

5、次，在單層平面多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃研究的基礎(chǔ)上，開展雙層倉(cāng)庫(kù)下的多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題研究。雙層倉(cāng)庫(kù)下的移動(dòng)機(jī)器人活動(dòng)受到環(huán)境、資源、移動(dòng)機(jī)器人自身等各種約束的制約，為移動(dòng)機(jī)器人規(guī)劃高質(zhì)量的路徑是確保移動(dòng)機(jī)器人順利執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵。在整體考慮所有約束后，將雙層倉(cāng)庫(kù)下的多移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題建模成多非線性約束的時(shí)變的非線性最優(yōu)化問(wèn)題。結(jié)合雙層倉(cāng)庫(kù)實(shí)際，從移動(dòng)機(jī)器人的起止位姿相同與否的角度，建立兩個(gè)子模型。從環(huán)境中存在障礙物與否的角度，將

6、每個(gè)子模型細(xì)化成兩個(gè)模型。隨之，在每個(gè)細(xì)化的模型中，根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)電梯沖突與否，每個(gè)細(xì)化的模型可分成使用不同的轉(zhuǎn)運(yùn)電梯和使用不同的轉(zhuǎn)運(yùn)電梯下的模型。針對(duì)問(wèn)題特性，分析采用PSO算法以及其變體算法的緣由。結(jié)合PSO算法特征，提出帶有懲罰項(xiàng)的改進(jìn)的粒子群最優(yōu)化(PSO)算法求解并實(shí)現(xiàn)各個(gè)模型。分別提出帶有壓縮因子的具有擾動(dòng)性的PSO算法、基于模擬退火算法的PSO算法。所有模型下的數(shù)值案例結(jié)果證實(shí)了問(wèn)題建模的正確性、提出的改進(jìn)算法在解決雙層倉(cāng)庫(kù)多移

7、動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題方面的有效性。
　　最后，從工業(yè)應(yīng)用角度為非完整性移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航開發(fā)用戶友好的導(dǎo)航支持系統(tǒng)(NSS)。該系統(tǒng)為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境下的非完整性移動(dòng)機(jī)器人決策出無(wú)沖突的路徑。NSS主要有三個(gè)序列模塊，分別是布列設(shè)置模塊、任務(wù)分配模塊和方案瀏覽模塊。首先，通過(guò)拖拽技術(shù)創(chuàng)建任意類型機(jī)器人的導(dǎo)航環(huán)境。隨后，指定待移動(dòng)的機(jī)器人并給出其導(dǎo)航系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)。最后，在方案瀏覽模塊中，用戶可瀏覽移動(dòng)機(jī)器人的無(wú)沖突路徑圖形界面。在