- 相關(guān)推薦
移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法的研究論文
摘 要:本文針對(duì)機(jī)器人及障礙物的位置可以實(shí)時(shí)測得,障礙物數(shù)量固定,形狀大小可預(yù)知,位置一般固定不動(dòng)的情況,提出一種計(jì)算簡單、容易實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法,可適用于某些特定的場合。
關(guān)鍵詞:移動(dòng)機(jī)器人 路徑規(guī)劃 障礙物
中圖分類號(hào):TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2010)08-0015-02
1 引言
在有障礙物的工作環(huán)境中,如果機(jī)器人及障礙物的位置可以實(shí)時(shí)測得,則可以尋找一種移動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)化路徑規(guī)劃算法,使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中無碰撞地繞過所有的障礙物,安全的到達(dá)指定目標(biāo)位置[1]。
路徑規(guī)劃問題根據(jù)機(jī)器人的工作環(huán)境模型可以分為兩種,一種是基于模型的路徑規(guī)劃,作業(yè)環(huán)境的全部信息都是預(yù)知的;另一種是基于傳感器的路徑規(guī)劃,作業(yè)環(huán)境的信息是全部未知或部分未知的。
本文提出一種計(jì)算簡單、容易實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法,可供側(cè)重于應(yīng)用的讀者參考。
2 問題描述
設(shè)機(jī)器人在長度為L的L×L的二維平面上能夠自由運(yùn)動(dòng),將機(jī)器人模型化為點(diǎn)狀態(tài)機(jī)器人,在L×L的二維平面上存在若干個(gè)靜態(tài)障礙物和在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)障礙物,根據(jù)安全性的要求進(jìn)行了相應(yīng)的“膨脹化”處理,使“膨脹化”后的障礙物邊界為安全區(qū)域,“膨脹化”后的障礙物邊界區(qū)域內(nèi)為凸型,邊界為光滑曲線,邊界上各點(diǎn)曲率半徑≤δ(其中δ是正常量,可假設(shè)為圓的半徑),曲率中心在障礙物內(nèi)部,單個(gè)機(jī)器人的路徑規(guī)劃是找出從起始點(diǎn)至終點(diǎn)的一條最短無碰路徑[2]。設(shè)終點(diǎn)(目標(biāo))的坐標(biāo)為已知,機(jī)器人在任何時(shí)刻都能測出機(jī)器人所在位置與終點(diǎn)連線和機(jī)器人到障礙物邊界的切線的夾角。根據(jù)夾角的大小來判斷所選擇的無碰撞行走路徑[3]。如圖1所示,由于角α<β,所以,機(jī)器人行走路徑為RP→PQ→QG。
3 路徑規(guī)劃原理
3.1 求切線法的路徑規(guī)劃原理
根據(jù)幾何學(xué)園外兩點(diǎn)到園的四條切線,其切線與兩點(diǎn)連線夾角小的兩條線段之和小于切線與兩點(diǎn)連線夾角大的兩條線段之和。如圖2所示。設(shè)A和B兩點(diǎn)坐標(biāo)分別為(XA,YA)和(XB,YB),如果角α<β,則AN+NB (1)利用兩點(diǎn)式求出機(jī)器人與目標(biāo)之間的直線方程
由(X-XB)/(XA-XB)=(Y-YB)/(YA-YB)得:(YA-YB)X-(XA-XB)Y+(XAYB-YAXB)=0
(2)利用夾角求切線方程
如果測出過A、B兩點(diǎn)與園的切線和AB直線的夾角,則可求出切線方程。
在圖2中,直線AN的方程為:Y-YA=tanα(X-XA)
直線AM的方程為:Y-YA=tanβ(X-XA)
直線NB的方程為:Y-YB=tanα1(X-XB)
直線MB的方程為:Y-YB=tanβ1(X-XB)
(3)由四條切線求點(diǎn)A到點(diǎn)B的最短路徑
根據(jù)角α<β,可求出點(diǎn)A到點(diǎn)B的最短路徑為AN+NB
3.2 首先判斷機(jī)器人和給定的目標(biāo)位置之間是否存在障礙物
如圖1所示,以R代表機(jī)器人,坐標(biāo)為(XR,YR),以G代表目標(biāo)位置,其坐標(biāo)為(XG,YG),障礙物為A、B、C、D、E、F等,坐標(biāo)為 (XA,YA)、(XB,YB)、(XC,YC)、(XD,YD)、(XE,YE)、(XF,YF)等。Rr表示機(jī)器人半徑、Ri(i=A、B、C、D、E、F)表示障礙物的碰撞半徑,也就是說在其半徑以外無碰撞的危險(xiǎn)。要根據(jù)實(shí)際情況和控制要求來確定碰撞半徑。碰撞半徑Rp一般選擇大于障礙物的半徑Ri加上機(jī)器人半徑Rr,即Rp>Ri+Rr。
3.3 單障礙物情況
機(jī)器人在任何時(shí)刻都能夠測得機(jī)器人的位置坐標(biāo)(XR,YR),目標(biāo)位置是已知的(XG,YG),可測量出機(jī)器人與目標(biāo)連線和機(jī)器人與障礙物碰撞圓的切線的兩個(gè)夾角αi和βi(i=1,2,…)。若αi<βi,則選αi方向的切線作為行走路徑;否則,則選βi方向的切線作為行走路徑;則如圖1所示。
3.4 多障礙物情況
對(duì)于多障礙物情況,可將移動(dòng)機(jī)器人繞過多個(gè)障礙物最終到達(dá)目標(biāo)位置作為一個(gè)總?cè)蝿?wù),每當(dāng)繞過一個(gè)障礙物作為一個(gè)分任務(wù)。總?cè)蝿?wù)就可分解為多個(gè)分任務(wù),設(shè)第i個(gè)分任務(wù)的目標(biāo)點(diǎn)為Gi和中途點(diǎn)為Bi,執(zhí)行第i個(gè)分任務(wù)時(shí),如果在到達(dá)Gi的路徑上存在障礙物,則增加第i+1個(gè)分任務(wù),此時(shí)目標(biāo)點(diǎn)Gi+1就是Bi;以此類推,尋找切線路徑直至到達(dá)給定的最終目標(biāo)位置,計(jì)算所有分任務(wù)的最短切線路徑之和即為所求的最優(yōu)路徑[4]。
4 行路徑算法
(1)機(jī)器人朝著目標(biāo)按直線方向行走,直到以下任一情況發(fā)生:
①已經(jīng)到達(dá)目標(biāo),結(jié)束。
②在機(jī)器人與目標(biāo)之間發(fā)現(xiàn)障礙物,轉(zhuǎn)(2);
(2)按路徑規(guī)劃的原理選擇路徑,轉(zhuǎn)(1)。
5 結(jié)語
移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃的算法有很多,每一種算法能夠適用于幾種特定的場合。一個(gè)好的算法,不但理論簡單,計(jì)算快捷,容易理解,便于實(shí)現(xiàn),而且實(shí)現(xiàn)的效果好,能夠提高運(yùn)行效率。本文介紹的移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法,容易理解,便于實(shí)現(xiàn),可適用于某些特定的場合。
參考文獻(xiàn)
[1] 李彩虹,李貽斌,范晨.移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)避障算法[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào),2007,5(37):60-64.
[2] 陳剛.復(fù)雜環(huán)境下路徑規(guī)劃問題的遺傳路徑規(guī)劃方法[J].機(jī)器人,2001,(3):230-233.
[3] 霍迎輝等.移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃的最短切線路徑算法[J].廣東自動(dòng)化與信息工程,2003,1(24):10-12.
[4] 曾碧,楊宜民.動(dòng)態(tài)環(huán)境下基于蟻群算法的實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.2010,3(27): 860-863.
【移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法的研究論文】相關(guān)文章：
基于環(huán)境模型的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃05-01
基于概率地圖方法的無人機(jī)路徑規(guī)劃研究04-27
無人機(jī)初始路徑規(guī)劃空間建模方法研究04-27
衛(wèi)星編隊(duì)的多沖量軌道機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃方法04-26
論文研究方法怎么寫12-17
論文研究方法包括哪些12-17
科技論文評(píng)估方法研究04-30
優(yōu)化海南高職院校特色專業(yè)路徑研究論文04-27
港口概念規(guī)劃研究及方法探討04-28