基于预测窗的轮式移动机器人最优避障及避碰算法研究
发布时间：2020-12-19 22:11
具备自主感知、决策和执行能力的轮式移动机器人的避障、相互避碰以及编队避障是机器人研究领域的重要问题,其基本目标是控制轮式移动机器人或轮式移动机器人编队在有障碍物和其他移动机器人的环境中实现无碰撞运动并到达规定的目标位置,这在仓储物流、智能交通、区域搜索覆盖等任务中有着广泛的应用前景。然而,轮式移动机器人运动学模型的非线性、非完整约束、:多输入多输出等特性致使其运动规划与控制成为机器人研究领域中较难解决的问题。因此,对轮式移动机器人的避障、相互避碰以及编队避障问题进行研究具有重要的应用价值与学术研究意义。本文基于预测窗技术对轮式移动机器人的避障、相互避碰以及编队避障问题进行了研究,主要的研究工作如下:首先,针对单个轮式移动机器人在有障碍物运动场景中的无碰行驶问题,利用预测窗技术提出了一种最优避障算法。考虑到轮式移动机器人运动学模型的非线性特性,对其进行输入输出反馈线性化得到一个线性模型。在得到的线性模型的基础上,运用预测窗技术将所有可能会导致机器人与障碍物发生碰撞的相对加速度变化定义成加速度变化障碍集合的形式。基于加速度变化障碍为轮式移动机器人规划最优的避障加速度变化,并将其转换成实际的...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?２０１５年到２０１９年中国移动机器人市场规模??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｃａｌｅ?ｏｆ?Ｃｈｉｎｅｓｅ?ｍｏｂｉｌｅ?ｒｏｂｏｔ?ｍａｒｋｅｔ?ｆｒｏｍ?２０１５?ｔｏ?２０１９??
工势场的概念，他的灵感来源??于物理学中电荷的运动。Ｋｈａｔｉｂ博士假设轮式移动机器人在空间中的行驶受目标位置和??障碍物合力的作用，其中目标位置会产生一个吸引力，力的方向由移动机器人的当前位??置指向目标位置，其大小与移动机器人和目标位置之间的距离、机器人的大小以及障碍??物的大小成正比。行驶环境中的障碍物会对移动机器人产生一个斥力，斥力的方向由障??碍物的位置指向移动机器人当前时刻的位罝，大小与移动机器人和障碍物之间的距离成??反比，且与障碍物以及移动机器人的大小成正比（示意图见图１．６）。移动机器人受到的??合力的方向就是其无碰运动速度的方向，合力的大小与无碰运动速度的大小成正比［２６］。??目标点??．．?！?■?；??Ｉ??翁????１?ＦＶ??障碍物?Ｉ?、、??Ｖ机雅人ｆ??Ｎ，??图１．６人工势场避障算法原理图??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ?ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?ｆｉｅｌｄ?ｏｂｓｔａｃｌｅ?ａｖｏｉｄａｎｃｅ?ｍｅｔｈｏｄ??虽然该避障方法思路简单且鲁棒性高，但其仍具有目标不可达以及容易陷入局部最??小值等不足。梁献霞等［２７］针对人工势场避障方法易于陷入局部最小值的不足，使用扇区??－５?－??
Ｉ???基于预测窗的轮式移动机器人最优避障及避碰算法研究???１）（＜：，／＊）＝如｜｜９－（：｜｜：＾丨表示圆心在（：半径为＾的圆面；／＾３，１３丨＝丨３?＋叫１？￡｜＾０，１１丨表示起??点为ａ终点为ａ?＋?ｂ的一个线段；对于向量集合；ｆ、ｙ和常数ａ，定义如下运算：??ａ＾?＝?｛ａｘ＼ｘｅＸ｝，?＝?（ｘ?＋?ｙ?｜?ｘ?ｅ?ｅ?＾｝?，?Ｘ＼ｙ?￣｛ｘ＼ｘｅ?Ｘ，ｘ?＾ｙ）??其中十表示闵可夫斯基和。??２．２．２轮式移动机器人运动学模型??本文研究的二阶非线性轮式移动机器人如图２．１所示，其中（ｘ，?ｄ为轮式移动机器??人在全局坐标系；ｒｏｒ下的位置坐标，Ｖ为其行驶的线速度，０为行驶的方向角。??ｒ牛??－舉：：：??图２．１轮式移动机器人示意图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａ?ｗｈｅｅｌｅｄ?ｍｏｂｉｌｅ?ｒｏｂｏｔ??己有的文献中［５２Ｈ５６］?—般是通过控制线速度Ｖ和角速度？来控制轮式移动机器人的??运动，为了避免速度突变对机器人的运动轨迹和执行机构造成的不利影响，文献［５０］、??［５７］选取线加速度《和角速度？作为控制输入去控制此类移动机器人的运动取得了良好??的控制效果。因此本文选取轮式移动机器人的运动学模型如下：??ＶＣＯＳ０??ｖｓｉｎ０??匕?（２．Ｄ??０）??其中￥?＝?＞?Ｖ?为当前时刻轮式移动机器人的状态向量，Ｕ?＝?＾?＾｜Ｔ为其控制输入。??－１２－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]移动机器人行业：整体增速放缓，细分趋势明显[J]. 张雷. 物流技术与应用. 2020(03)
[2]基于改进A*算法的移动机器人路径规划研究[J]. 吴鹏,桑成军,陆忠华,余双,方临阳,张屹. 计算机工程与应用. 2019(21)
[3]改进人工势场法自主移动机器人路径规划[J]. 罗强,王海宝,崔小劲,何晶昌. 控制工程. 2019(06)
[4]基于改进A*算法的移动机器人路径规划[J]. 赵晓,王铮,黄程侃,赵燕伟. 机器人. 2018(06)
[5]改进人工势场法的移动机器人路径规划研究[J]. 梁献霞,刘朝英,宋雪玲,张英坤. 计算机仿真. 2018(04)
[6]改进自适应遗传算法在移动机器人路径规划中的应用[J]. 王雷,李明. 南京理工大学学报. 2017(05)
[7]轮式移动机器人轨迹跟踪与避障研究[J]. 张立阳,陈奕梅. 自动化与仪表. 2017(11)
[8]轮式机器人90°折线角焊缝跟踪运动动力学分析[J]. 周依霖,张华,王帅. 焊接学报. 2017(10)
[9]具有控制输入约束的轮式移动机器人轨迹跟踪最优保性能控制[J]. 郭一军,俞立,徐建明. 系统科学与数学. 2017(08)
[10]基于一种改进A*算法的移动机器人路径规划[J]. 孙炜,吕云峰,唐宏伟,薛敏. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(04)
博士论文
[1]轮式餐厅服务机器人移动定位技术研究[D]. 于清晓.上海交通大学 2013
硕士论文
[1]基于改进人工势场法的路径规划算法研究[D]. 郭枭鹏.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于ARM的移动机器人嵌入式组合导航系统研究[D]. 曹超.西南交通大学 2013
[3]轮式机器人运动系统设计与研究[D]. 井超超.西安电子科技大学 2012
本文编号：2926660
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?２０１５年到２０１９年中国移动机器人市场规模??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｃａｌｅ?ｏｆ?Ｃｈｉｎｅｓｅ?ｍｏｂｉｌｅ?ｒｏｂｏｔ?ｍａｒｋｅｔ?ｆｒｏｍ?２０１５?ｔｏ?２０１９??
工势场的概念，他的灵感来源??于物理学中电荷的运动。Ｋｈａｔｉｂ博士假设轮式移动机器人在空间中的行驶受目标位置和??障碍物合力的作用，其中目标位置会产生一个吸引力，力的方向由移动机器人的当前位??置指向目标位置，其大小与移动机器人和目标位置之间的距离、机器人的大小以及障碍??物的大小成正比。行驶环境中的障碍物会对移动机器人产生一个斥力，斥力的方向由障??碍物的位置指向移动机器人当前时刻的位罝，大小与移动机器人和障碍物之间的距离成??反比，且与障碍物以及移动机器人的大小成正比（示意图见图１．６）。移动机器人受到的??合力的方向就是其无碰运动速度的方向，合力的大小与无碰运动速度的大小成正比［２６］。??目标点??．．?！?■?；??Ｉ??翁????１?ＦＶ??障碍物?Ｉ?、、??Ｖ机雅人ｆ??Ｎ，??图１．６人工势场避障算法原理图??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ?ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?ｆｉｅｌｄ?ｏｂｓｔａｃｌｅ?ａｖｏｉｄａｎｃｅ?ｍｅｔｈｏｄ??虽然该避障方法思路简单且鲁棒性高，但其仍具有目标不可达以及容易陷入局部最??小值等不足。梁献霞等［２７］针对人工势场避障方法易于陷入局部最小值的不足，使用扇区??－５?－??
Ｉ???基于预测窗的轮式移动机器人最优避障及避碰算法研究???１）（＜：，／＊）＝如｜｜９－（：｜｜：＾丨表示圆心在（：半径为＾的圆面；／＾３，１３丨＝丨３?＋叫１？￡｜＾０，１１丨表示起??点为ａ终点为ａ?＋?ｂ的一个线段；对于向量集合；ｆ、ｙ和常数ａ，定义如下运算：??ａ＾?＝?｛ａｘ＼ｘｅＸ｝，?＝?（ｘ?＋?ｙ?｜?ｘ?ｅ?ｅ?＾｝?，?Ｘ＼ｙ?￣｛ｘ＼ｘｅ?Ｘ，ｘ?＾ｙ）??其中十表示闵可夫斯基和。??２．２．２轮式移动机器人运动学模型??本文研究的二阶非线性轮式移动机器人如图２．１所示，其中（ｘ，?ｄ为轮式移动机器??人在全局坐标系；ｒｏｒ下的位置坐标，Ｖ为其行驶的线速度，０为行驶的方向角。??ｒ牛??－舉：：：??图２．１轮式移动机器人示意图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａ?ｗｈｅｅｌｅｄ?ｍｏｂｉｌｅ?ｒｏｂｏｔ??己有的文献中［５２Ｈ５６］?—般是通过控制线速度Ｖ和角速度？来控制轮式移动机器人的??运动，为了避免速度突变对机器人的运动轨迹和执行机构造成的不利影响，文献［５０］、??［５７］选取线加速度《和角速度？作为控制输入去控制此类移动机器人的运动取得了良好??的控制效果。因此本文选取轮式移动机器人的运动学模型如下：??ＶＣＯＳ０??ｖｓｉｎ０??匕?（２．Ｄ??０）??其中￥?＝?＞?Ｖ?为当前时刻轮式移动机器人的状态向量，Ｕ?＝?＾?＾｜Ｔ为其控制输入。??－１２－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]移动机器人行业：整体增速放缓，细分趋势明显[J]. 张雷. 物流技术与应用. 2020(03)
[2]基于改进A*算法的移动机器人路径规划研究[J]. 吴鹏,桑成军,陆忠华,余双,方临阳,张屹. 计算机工程与应用. 2019(21)
[3]改进人工势场法自主移动机器人路径规划[J]. 罗强,王海宝,崔小劲,何晶昌. 控制工程. 2019(06)
[4]基于改进A*算法的移动机器人路径规划[J]. 赵晓,王铮,黄程侃,赵燕伟. 机器人. 2018(06)
[5]改进人工势场法的移动机器人路径规划研究[J]. 梁献霞,刘朝英,宋雪玲,张英坤. 计算机仿真. 2018(04)
[6]改进自适应遗传算法在移动机器人路径规划中的应用[J]. 王雷,李明. 南京理工大学学报. 2017(05)
[7]轮式移动机器人轨迹跟踪与避障研究[J]. 张立阳,陈奕梅. 自动化与仪表. 2017(11)
[8]轮式机器人90°折线角焊缝跟踪运动动力学分析[J]. 周依霖,张华,王帅. 焊接学报. 2017(10)
[9]具有控制输入约束的轮式移动机器人轨迹跟踪最优保性能控制[J]. 郭一军,俞立,徐建明. 系统科学与数学. 2017(08)
[10]基于一种改进A*算法的移动机器人路径规划[J]. 孙炜,吕云峰,唐宏伟,薛敏. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(04)
博士论文
[1]轮式餐厅服务机器人移动定位技术研究[D]. 于清晓.上海交通大学 2013
硕士论文
[1]基于改进人工势场法的路径规划算法研究[D]. 郭枭鹏.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于ARM的移动机器人嵌入式组合导航系统研究[D]. 曹超.西南交通大学 2013
[3]轮式机器人运动系统设计与研究[D]. 井超超.西安电子科技大学 2012
本文编号：2926660
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xixikjs/2926660.html
