多移動機器人路徑規(guī)劃研究.pdf

1、高質(zhì)量的規(guī)劃路徑是確保移動機器人完成既定任務的關(guān)鍵所在。本文著重關(guān)注移動機器人路徑規(guī)劃問題。從研究單個機器人的路徑規(guī)劃問題開始，到多個機器人沖突情形下的路徑規(guī)劃問題、再到雙層倉庫下的資源受限下的多移動機器人路徑規(guī)劃問題，最后為工業(yè)環(huán)境下的非完整性移動機器人開發(fā)出導航支持系統(tǒng)。旨在解決運動學和動力學約束，以及路徑質(zhì)量、路徑安全、資源分配等約束下的多移動機器人路徑規(guī)劃問題。
　　首先，針對柵格環(huán)境下A*算法規(guī)劃出的移動機器人路徑存在折

2、線多、轉(zhuǎn)折次數(shù)多、累計轉(zhuǎn)折角度大等問題，為獲得較優(yōu)路徑，提出平滑A*算法。在A*算法規(guī)劃的路徑基礎(chǔ)上，遍歷路徑中的所有節(jié)點，當某一節(jié)點前后節(jié)點連線上無障礙物時，將延長線路的這一中間節(jié)點刪除，建立平滑A*模型。仿真結(jié)果表明，平滑A*算法優(yōu)于Ant(蟻群)、Anytime D*算法。平滑A*算法降低路徑長度約5％、累計轉(zhuǎn)折次數(shù)約50%、累計轉(zhuǎn)折角度30%～60%。平滑A*算法能處理不同柵格規(guī)模障礙物隨機分布的復雜環(huán)境下移動機器人路徑規(guī)劃問題

3、。
　　隨后，給出一個兩階段法來為帶有移動障礙物的二維和三維空間下的多移動機器人規(guī)劃無沖突路徑。在第一階段中，將每個移動機器人的最短路徑作為目標函數(shù)，該目標函數(shù)遵循避障約束、路徑平滑性約束以及速度和加速度約束。該問題表述為積分變化問題(CVP)。采用參數(shù)化方法，將CVP轉(zhuǎn)化成時變非線性規(guī)劃問題并求解之。在第二階段，由優(yōu)先級方案為各個移動機器人分配對應的移動順序；采用多級沖突消解策略來處理沖突。數(shù)值例子證實了方法的有效性。
　

4、　其次，研究如何為多移動機器人自動產(chǎn)生最短的平滑的避障和無沖突路徑，進而引導其在有靜態(tài)或者動態(tài)障礙物的時變環(huán)境下高效導航。采用多項式表征路徑。規(guī)劃路徑應滿足諸多約束：運動邊界約束、運動學約束、避障約束、平滑性約束等。該問題歸納成遵循上述的多約束條件下的時變非線性目標函數(shù)。在模型中，整體處理所有的約束及沖突。設計時間基線協(xié)調(diào)方法來解決上述問題。數(shù)值例子表明，提出的方法能成功地解決靜態(tài)和動態(tài)障礙物下的多移動機器人路徑規(guī)劃問題。
　　再

5、次，在單層平面多移動機器人路徑規(guī)劃研究的基礎(chǔ)上，開展雙層倉庫下的多移動機器人路徑規(guī)劃問題研究。雙層倉庫下的移動機器人活動受到環(huán)境、資源、移動機器人自身等各種約束的制約，為移動機器人規(guī)劃高質(zhì)量的路徑是確保移動機器人順利執(zhí)行任務的關(guān)鍵。在整體考慮所有約束后，將雙層倉庫下的多移動機器人路徑規(guī)劃問題建模成多非線性約束的時變的非線性最優(yōu)化問題。結(jié)合雙層倉庫實際，從移動機器人的起止位姿相同與否的角度，建立兩個子模型。從環(huán)境中存在障礙物與否的角度，將

6、每個子模型細化成兩個模型。隨之，在每個細化的模型中，根據(jù)轉(zhuǎn)運電梯沖突與否，每個細化的模型可分成使用不同的轉(zhuǎn)運電梯和使用不同的轉(zhuǎn)運電梯下的模型。針對問題特性，分析采用PSO算法以及其變體算法的緣由。結(jié)合PSO算法特征，提出帶有懲罰項的改進的粒子群最優(yōu)化(PSO)算法求解并實現(xiàn)各個模型。分別提出帶有壓縮因子的具有擾動性的PSO算法、基于模擬退火算法的PSO算法。所有模型下的數(shù)值案例結(jié)果證實了問題建模的正確性、提出的改進算法在解決雙層倉庫多移

7、動機器人路徑規(guī)劃問題方面的有效性。
　　最后，從工業(yè)應用角度為非完整性移動機器人導航開發(fā)用戶友好的導航支持系統(tǒng)(NSS)。該系統(tǒng)為靜態(tài)和動態(tài)障礙物環(huán)境下的非完整性移動機器人決策出無沖突的路徑。NSS主要有三個序列模塊，分別是布列設置模塊、任務分配模塊和方案瀏覽模塊。首先，通過拖拽技術(shù)創(chuàng)建任意類型機器人的導航環(huán)境。隨后，指定待移動的機器人并給出其導航系統(tǒng)的各個參數(shù)。最后，在方案瀏覽模塊中，用戶可瀏覽移動機器人的無沖突路徑圖形界面。在