基于改进A*算法的室内移动机器人路径规划方法研究
发布时间：2021-06-29 13:21
近年来随着移动机器人技术的快速发展,无人车（UGV）、无人机（UAV）已经实现在日常生活生产中的大量应用。为了使无人机、无人车按照人类的意愿行驶到指定的位置,路径规划技术的研究成为移动机器人研究领域的热点问题之一,是实现移动机器人智能化的关键。路径规划是指在具有障碍物的环境中,按照一定的评价标准,寻找一条从起始点到目标点的无碰撞路径。A*算法作为一种新型的启发式搜索算法,由于其具有搜索迅速、应用普遍、易于实现等优点,已经有许多研究者尝试将其用于解决移动机器人路径规划问题。因为A*算法在获取路径过程中存在搜索节点多,转折角多,转向困难等问题,所以A*算法在路径规划时得到的路径并非最优,而是次优路径。针对移动机器人室内路径规划问题,本文主要工作在如下几个方面:（1）针对A*算法存在的缺点在三方面进行改进,首先改进A*算法的评价函数增加转向代价参数,减少不必要的转向;然后改进A*算法节点搜索的方式,删除A*算法搜索到的冗余节点,尽可能保留转折点与起始点等关键节点;最后使用移动平均滤波的方法对得到的节点数据进行处理,得到平滑的可通行路径。（2）针对A*算法只能有效避开静态已知障碍物的情况,本文...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
智能机器人
第一章绪论3宠物狗AIBO。自1998年起，丹麦乐高公司推出“头脑风暴”（MindStorms）机器人套件[13]如图1-2(c)，使用套件中的机器人核心控制模板、电机和传感器，孩子们可以设计各种像人、狗甚至恐龙的机器人，然后动手像搭积木一样把它拼装出来，并且通过简单编程让机器人做各种动作。这一充满创意的产品使机器人开始走入孩子们的世界。(a)shakey(b)MindStorms(c)ASIMO图1-2国外机器人Fig.1-2Foreignrobots2004年，美国火星车“勇气”号、“机遇”号先后登陆火星进行探测[14]如图1-3(a)。火星车可以完全依靠自身携带的传感器进行环境探测，侦查地形，智能规划出没有障碍的最佳行进路线。勇气号与机遇号火星车装备了阿尔法粒子探测器、360°全景相机、“X”射线光谱仪等，在火星上拍摄出来的火星岩石照片具有很高的分辨率，同时对火星的土质、岩石进行分析。对于火星的土壤进行分析有助于揭开火星上远古气候信息，甚至是火星深层的地质变化情况。2008年，BostonDynamics公司成功为美军研制出Bigdog大狗机器人[15]如图1-3(b)，这种机器人能够行走和奔跑，而且本身具有极强的平衡，即使上下坡，遇到结冰的路面也能顺利通过。而进入战场发挥了重大作用：在车辆不能通行的地方为士兵运送弹药、食物等战备物资。近年来，BostonDynamics公司推出了多款引人注目的机器人。2017年推出的一款名为Handle的双足机器人，像是一个踩着轮滑鞋的明星运动员，可以跳跃飞过1.2米的障碍物，可以下台阶和快速旋转身体，速度惊人。BostonDynamics公司还生产机器大狗（BigDog）、机器豹子（Cheetah）、机器夜猫（WIldCat）以及双足机器人（Atlas）等产品。2012年，“发现号”航天飞机（Discovery）的最后一项任务是将首台人形机器人“R2”送入?
天津工业大学硕士学位论文4更加接近于人类，同时“R2”可以执行一些对人类宇航员来说具有生命危险的任务。美国宇航局表示，“随着超越低地球轨道，机器人进入太空对宇航局的发展十分重要。”(a)火星车(b)BigDog(c)宇航员R2图1-3国外航天机器人Fig.1-3Foreignspacerobot移动机器人要实现智能行走，离不开可靠的定位导航技术，SLAM作为机器人自主移动的关键技术，一直备受业内关注。SLAM是同步定位与地图构建(simultaneouslocalizationandmapping)的缩写，最早由SmithSelf和Cheesman[17-18]提出。SLAM技术作为解决“移动机器人从未知地点出发并处在未知环境中，在移动机器人行驶过程中不断的对地图特征（比如门，墙面，桌椅等）进行探测。同时对自身的位置和位姿进行定位，在通过自身位置增量式的构建地图，实现即时定位与地图构建的目的。移动机器人自主移动中SLAM技术起到了关键作用，目前基于SLAM技术的定位导航方式主要有两种，一种是基于视觉传感器的SLAM，另一类是基于激光雷达传感器的激光SLAM。视觉SLAM专指利用摄相机、Kinect深度相机等进行室内探索和导航。发展到如今，视觉SLAM的室内导航仍处于研究阶段，并未到广泛应用的程度。有两方面限制因素：一方面，使用视觉SLAM需要进行编程和大量的专业知识，导航算法的实时性很难达到实用要求，另一方面，机器人不能直接使用视觉SLAM生成的地图（多数是点云）进行路径规划，需要进行研究和探索[19]。与视觉SLAM不同的是，激光SLAM技术通过获取周围环境的轮廓信息，可构建厘米级精度的地图，是目前为止最稳定、可靠的SLAM导航方式[20]。1.2.2国内研究现状我国机器人行业起步较晚，从20世纪80年代开始涉足机器人领域的研究和应用。1982年沈阳自动化所研制出了我国第一台
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进D*算法的无人机室内路径规划[J]. 张飞,白伟,乔耀华,邢伯阳,周鹏程. 智能系统学报. 2019(04)
[2]基于RGB-D信息的移动机器人SLAM和路径规划方法研究与实现[J]. 李元,王石荣,于宁波. 智能系统学报. 2018(03)
[3]机器人避障路径规划优化控制仿真[J]. 张海燕,林志贤,郭太良. 计算机仿真. 2017(09)
[4]一种基于VSLAM的室内导航地图制备方法[J]. 林志林,张国良,王蜂,姚二亮,贾枭. 电光与控制. 2018(01)
[5]基于改进RRT算法的RoboCup机器人动态路径规划[J]. 刘成菊,韩俊强,安康. 机器人. 2017(01)
[6]一种改进的未知动态环境下机器人混合路径规划方法[J]. 曹清云,倪建军,王康,吴榴迎. 计算机与现代化. 2016(04)
[7]中国机器人学40年[J]. 蔡自兴. 科技导报. 2015(21)
[8]危险天气下基于多重Morphin算法的终端区三维实时改航方法[J]. 张兆宁,魏中慧. 南京航空航天大学学报. 2015(04)
[9]一种可搜索无限个邻域的改进A*算法[J]. 辛煜,梁华为,杜明博,梅涛,王智灵,江如海. 机器人. 2014(05)
[10]基于多层Morphin搜索树的UGV局部路径规划算法[J]. 诸葛程晨,唐振民,石朝侠. 机器人. 2014(04)
博士论文
[1]大规模复杂场景下室内服务机器人导航的研究[D]. 陈赢峰.中国科学技术大学 2017
[2]移动机器人的路径规划与定位技术研究[D]. 张琦.哈尔滨工业大学 2014
[3]基于目标函数的模糊聚类新算法及其应用研究[D]. 汪庆淼.江苏大学 2014
[4]基于势场法和遗传算法的机器人路径规划技术研究[D]. 刘传领.南京理工大学 2012
[5]多学科设计优化方法在7000米载人潜水器总体设计中的应用[D]. 刘蔚.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]基于Cartographer和RBPF的室内SLAM技术研究[D]. 姬少英.燕山大学 2018
[2]基于ROS的惯性导航和视觉信息融合的移动机器人定位研究[D]. 王德智.哈尔滨工业大学 2017
[3]室内自主导航移动机器人路径规划研究[D]. 杨兴.中北大学 2016
本文编号：3256521
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
智能机器人
第一章绪论3宠物狗AIBO。自1998年起，丹麦乐高公司推出“头脑风暴”（MindStorms）机器人套件[13]如图1-2(c)，使用套件中的机器人核心控制模板、电机和传感器，孩子们可以设计各种像人、狗甚至恐龙的机器人，然后动手像搭积木一样把它拼装出来，并且通过简单编程让机器人做各种动作。这一充满创意的产品使机器人开始走入孩子们的世界。(a)shakey(b)MindStorms(c)ASIMO图1-2国外机器人Fig.1-2Foreignrobots2004年，美国火星车“勇气”号、“机遇”号先后登陆火星进行探测[14]如图1-3(a)。火星车可以完全依靠自身携带的传感器进行环境探测，侦查地形，智能规划出没有障碍的最佳行进路线。勇气号与机遇号火星车装备了阿尔法粒子探测器、360°全景相机、“X”射线光谱仪等，在火星上拍摄出来的火星岩石照片具有很高的分辨率，同时对火星的土质、岩石进行分析。对于火星的土壤进行分析有助于揭开火星上远古气候信息，甚至是火星深层的地质变化情况。2008年，BostonDynamics公司成功为美军研制出Bigdog大狗机器人[15]如图1-3(b)，这种机器人能够行走和奔跑，而且本身具有极强的平衡，即使上下坡，遇到结冰的路面也能顺利通过。而进入战场发挥了重大作用：在车辆不能通行的地方为士兵运送弹药、食物等战备物资。近年来，BostonDynamics公司推出了多款引人注目的机器人。2017年推出的一款名为Handle的双足机器人，像是一个踩着轮滑鞋的明星运动员，可以跳跃飞过1.2米的障碍物，可以下台阶和快速旋转身体，速度惊人。BostonDynamics公司还生产机器大狗（BigDog）、机器豹子（Cheetah）、机器夜猫（WIldCat）以及双足机器人（Atlas）等产品。2012年，“发现号”航天飞机（Discovery）的最后一项任务是将首台人形机器人“R2”送入?
天津工业大学硕士学位论文4更加接近于人类，同时“R2”可以执行一些对人类宇航员来说具有生命危险的任务。美国宇航局表示，“随着超越低地球轨道，机器人进入太空对宇航局的发展十分重要。”(a)火星车(b)BigDog(c)宇航员R2图1-3国外航天机器人Fig.1-3Foreignspacerobot移动机器人要实现智能行走，离不开可靠的定位导航技术，SLAM作为机器人自主移动的关键技术，一直备受业内关注。SLAM是同步定位与地图构建(simultaneouslocalizationandmapping)的缩写，最早由SmithSelf和Cheesman[17-18]提出。SLAM技术作为解决“移动机器人从未知地点出发并处在未知环境中，在移动机器人行驶过程中不断的对地图特征（比如门，墙面，桌椅等）进行探测。同时对自身的位置和位姿进行定位，在通过自身位置增量式的构建地图，实现即时定位与地图构建的目的。移动机器人自主移动中SLAM技术起到了关键作用，目前基于SLAM技术的定位导航方式主要有两种，一种是基于视觉传感器的SLAM，另一类是基于激光雷达传感器的激光SLAM。视觉SLAM专指利用摄相机、Kinect深度相机等进行室内探索和导航。发展到如今，视觉SLAM的室内导航仍处于研究阶段，并未到广泛应用的程度。有两方面限制因素：一方面，使用视觉SLAM需要进行编程和大量的专业知识，导航算法的实时性很难达到实用要求，另一方面，机器人不能直接使用视觉SLAM生成的地图（多数是点云）进行路径规划，需要进行研究和探索[19]。与视觉SLAM不同的是，激光SLAM技术通过获取周围环境的轮廓信息，可构建厘米级精度的地图，是目前为止最稳定、可靠的SLAM导航方式[20]。1.2.2国内研究现状我国机器人行业起步较晚，从20世纪80年代开始涉足机器人领域的研究和应用。1982年沈阳自动化所研制出了我国第一台
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进D*算法的无人机室内路径规划[J]. 张飞,白伟,乔耀华,邢伯阳,周鹏程. 智能系统学报. 2019(04)
[2]基于RGB-D信息的移动机器人SLAM和路径规划方法研究与实现[J]. 李元,王石荣,于宁波. 智能系统学报. 2018(03)
[3]机器人避障路径规划优化控制仿真[J]. 张海燕,林志贤,郭太良. 计算机仿真. 2017(09)
[4]一种基于VSLAM的室内导航地图制备方法[J]. 林志林,张国良,王蜂,姚二亮,贾枭. 电光与控制. 2018(01)
[5]基于改进RRT算法的RoboCup机器人动态路径规划[J]. 刘成菊,韩俊强,安康. 机器人. 2017(01)
[6]一种改进的未知动态环境下机器人混合路径规划方法[J]. 曹清云,倪建军,王康,吴榴迎. 计算机与现代化. 2016(04)
[7]中国机器人学40年[J]. 蔡自兴. 科技导报. 2015(21)
[8]危险天气下基于多重Morphin算法的终端区三维实时改航方法[J]. 张兆宁,魏中慧. 南京航空航天大学学报. 2015(04)
[9]一种可搜索无限个邻域的改进A*算法[J]. 辛煜,梁华为,杜明博,梅涛,王智灵,江如海. 机器人. 2014(05)
[10]基于多层Morphin搜索树的UGV局部路径规划算法[J]. 诸葛程晨,唐振民,石朝侠. 机器人. 2014(04)
博士论文
[1]大规模复杂场景下室内服务机器人导航的研究[D]. 陈赢峰.中国科学技术大学 2017
[2]移动机器人的路径规划与定位技术研究[D]. 张琦.哈尔滨工业大学 2014
[3]基于目标函数的模糊聚类新算法及其应用研究[D]. 汪庆淼.江苏大学 2014
[4]基于势场法和遗传算法的机器人路径规划技术研究[D]. 刘传领.南京理工大学 2012
[5]多学科设计优化方法在7000米载人潜水器总体设计中的应用[D]. 刘蔚.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]基于Cartographer和RBPF的室内SLAM技术研究[D]. 姬少英.燕山大学 2018
[2]基于ROS的惯性导航和视觉信息融合的移动机器人定位研究[D]. 王德智.哈尔滨工业大学 2017
[3]室内自主导航移动机器人路径规划研究[D]. 杨兴.中北大学 2016
本文编号：3256521
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