自主移動機器人運動規(guī)劃的若干算法研究.pdf

1、地面自主移動機器人是機器人研究領(lǐng)域中的一個重要分支，集人工智能、智能控制、信息處理等專業(yè)技術(shù)為一體，其發(fā)展對國防、社會、經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)具有重大的影響力，已成為各國高科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略性研究目標(biāo)。機器人運動規(guī)劃是自主移動機器人導(dǎo)航的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　 移動機器人運動規(guī)劃是指設(shè)計一個適當(dāng)?shù)目刂戚斎胧瓜到y(tǒng)沿某一軌跡從一開始位置運動到另一終點位置，包含兩方面內(nèi)容：路徑規(guī)劃和跟蹤控制。
　　 本文圍繞這兩個內(nèi)容，對移動機器人的路

2、徑規(guī)劃和軌跡跟蹤分別進行了研究，在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，提出了一些改進算法及新的解決方案，以提高算法的計算效率，擴展其使用范圍。具體的研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 1.將第二類偏微分方程引入到移動機器人路徑規(guī)劃問題求解中，探討了偏微分方程在路徑規(guī)劃中的應(yīng)用，擴展了路徑規(guī)劃的求解算法種類。該算法克服了其它路徑規(guī)劃算法的缺點，比如經(jīng)典勢場算法中的極小問題、RRT算法的無謂耗費等。算法的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和求解時的自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化保證了該算法的適

3、應(yīng)性。
　　 2.針對快速擴展隨機樹RRT算法只能在已知環(huán)境中進行移動機器人路徑規(guī)劃的限制，將RRT算法與基于滾動窗口的路徑規(guī)劃相結(jié)合，提出了一種改進的移動機器人路徑規(guī)劃算法。該算法只考慮窗口環(huán)境地圖，避免了全局搜索，使得RRT算法可以在未知環(huán)境下的移動機器人路徑規(guī)劃中應(yīng)用。算法引入啟發(fā)式估價函數(shù)，使得隨機樹易于朝目標(biāo)點方向生長，同時運用回歸分析生成新節(jié)點，避免了可能產(chǎn)生的局部極小，增強了算法搜索未知空間的能力。
　　

4、3.為了提高移動機器人在未知環(huán)境下的運行效率，將應(yīng)激式爬行蟲Bug算法和滾動路徑規(guī)劃相結(jié)合，只考慮當(dāng)前狀態(tài)下所必須的傳感數(shù)據(jù)，不計算障礙物的邊線解析式，節(jié)省了存儲空間，保證了規(guī)劃算法的實時性。運用虛擬障礙的概念，解決了該算法在陷阱區(qū)域容易左右徘徊的問題。為了保證路徑規(guī)劃的完備性和Bug算法的全局最優(yōu)，同時給出了全局收斂標(biāo)準(zhǔn)。
　　 4.詳細(xì)分析了三次螺線作為移動機器人跟蹤路徑所具有的各種優(yōu)異的幾何特性，定義路徑光滑成本函數(shù)，利用

5、三次螺線對規(guī)劃路徑光滑化，使得移動機器人易于跟蹤所規(guī)劃的路徑，擴展了移動機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　 5.詳細(xì)分析了履帶式移動機器人的受力特點，提出了一種適于進行控制器設(shè)計的履帶移動機器人模型。根據(jù)履帶式移動機器人動力學(xué)模型和運動學(xué)模型，設(shè)計了機器人的軌跡跟蹤控制器。在控制器的設(shè)計中考慮了履帶一地面作用，引入?yún)?shù)對其描述?？紤]到機器人動力學(xué)約束，同時引入機器人速度、加速度控制策略以保證機器人運動平滑。
　　 6.研究了未知環(huán)