考虑低能耗和集成策略的移动机器人自主运动规划研究

来源 :电子科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiemei2007126
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移动机器人是集传感器技术、信息处理技术、人工智能技术以及算法设计为一体的机器装置,由于其具备实用性与自主性特征,被广泛应用于社会生产各个领域。现阶段移动机器人的自主能力仍较薄弱,在不同场合下的作业能力和安全性能仍待进一步提高。高度定制化的自主运动规划(Motion Planning,MP)技术作为移动机器人的核心技术,在移动机器人自主作业中扮演着重要角色。如何解决移动机器人“怎么到哪里去?”的关键问题对于推动机器人产业的发展有着积极的作用。经典运动规划方法由于其优化目标与约束条件的单一性和局限性,在不确定因素干扰的环境中运用时,不仅无法满足移动机器人在特定环境中的可持续作业需求,而且无法保障移动机器人在动态复杂环境中的安全运行。为提升移动机器人的自主作业能力与安全避障能力,保障移动机器人运行的稳定性,论文开展移动机器人运动规划方法及其运动性能评估的研究。论文主要研究内容包括:(1)提出一种基于邻接矩阵优化策略的全局路径规划方法。移动机器人在特定有限资源环境或补给不足的情况下执行作业任务时,能源因素限制其执行任务的连续性,为降低其作业过程中的能量损耗,论文提出一种考虑能耗因素的自主路径规划方法。首先采用邻接矩阵构建路径搜索的基础单元。其次将距离和能量邻接矩阵单元作为启发式A*算法遍历子节点的基础搜索单元,以定性减少机器人在作业过程中产生的额外能耗,同时定量减少机器人在运行过程中的能量损耗。最后通过仿真实验论证了论文所提自主路径规划方法的有效性。(2)提出一种同时考虑路径节能性与安全性的通用运动规划方法。移动机器人应用至大规模医疗环境的智能物流运输问题时,其运输路径安全性和运行可持续性有待进一步提升,据此论文提出一种节能、安全且通用的无碰撞路径规划方法。首先通过建立某方舱医院栅格地图环境模型,表征机器人自主移动过程的能量消耗指标。其次改进A*算法原始搜索方向,构建了一种计及能量因素的邻接矩阵优化策略和一种邻接矩阵权值算子,融合邻接矩阵权值算子和安全避障惩罚因子到A*算法的估价函数中。此外提出一种基于三次连续贝塞尔曲线的路径平滑机理。最后通过仿真结果验证了论文所提方法的适用性。(3)提出一种集成全局与局部规划的动态运动规划方法。在复杂动态的环境中,经典动态运动规划方法存在避障效果不佳、易陷入局部最优解、环境适应性低等问题,并亟待构建灵活的运动规划方案及有效的安全避障策略,据此论文提出一种基于全局和局部规划相集成的实时运动规划方法。首先在启发式搜索机制中引入危险指数以扩展安全的路径节点,并采用转折点优化措施提升路径的平滑度。其次将全局路径规划结果作为局部规划的参考轨迹,结合全局信息以扩展动态窗口法评价函数。此外构建了一种多机器人优先级安全避障策略,提升多移动机器人的协同运行能力。最后通过收敛性理论分析、仿真实验论证所提方法的有效性与可行性。
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