部分环境未知的移动机器人混合路径规划算法研究

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随着科技的发展,移动机器人在工业、农业、危险有害场所以及城市安全等领域都得到了很好的应用。路径规划作为移动机器人的关键技术之一,主要任务是根据环境信息,利用相关算法规划出一条无碰撞、最优或近似最优的路径,使机器人能够安全的从起点到达终点。按照移动机器人对环境信息掌握程度的不同,路径规划算法可以分为全局规划和局部规划。全局规划是一种离线规划,要求事先掌握环境的全部信息,但大多的环境是充满变化的,存在未知的障碍物,利用全局规划算法可能使移动机器人无法避开障碍物;局部规划一般应用于未知的环境中,通过传感器实时获取环境信息来进行规划,实时性较高,但是缺乏全局性,容易陷入局部最优解,出现目标不可达的现象。针对单一规划的局限性,论文运用混合路径规划,在全局路径最优的前提下,实现对匀变速直线运动障碍物的自主避障。论文主要的研究内容如下:
  首先,在全局规划中,采用栅格法对环境进行建模,利用生物激励神经网络算法搜索出一条可行的全局路径。针对算法在障碍物较多的情况下出现路径非优的问题,在现有改进算法的基础上,改变神经元激励输入的计算方式来提升算法效率。针对改进后的路径存在冗余拐点的问题,采用关键节点选取策略来平滑路径。通过在MATLAB中进行仿真对比实验,验证了改进的算法能有效解决路径非优的问题。
  其次,针对单一的局部避障算法难以适应任何未知环境的问题,在现有对直线运动障碍物研究的基础上,研究匀变速直线运动障碍物的避障问题。利用滚动窗口法的思想,建立障碍物的轨迹预测模型,对于满足不同条件的障碍物,结合机器人速度,设计相应的避障行为。通过MATLAB仿真实验,验证了算法能够有效避开障碍物。
  最后,针对全局规划实时性较差和局部规划缺乏全局性的问题,在保证全局路径较优的前提下,结合局部避障,进行混合规划。在同一仿真环境下,通过进行单个障碍物和多个障碍物避障的混合路径规划实验,验证了算法能在保证全局路径最优的前提下,进行局部避障。
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