不规则障碍物环境下移动机器人路径规划研究

论文摘要

移动机器人的研究一直受到研究者们的高度重视。随着人们对生活品质要求的不断提高，移动机器人在生产和生活中的应用越来越广泛。路径规划技术作为机器人技术的重要内容，直接制约着机器人的应用范围。本文主要针对不规则障碍物环境下移动机器人路径规划及其关键技术进行研究，主要工作如下：首先，在大量阅读国际国内文献的基础上，分析了目前各种路径规划方法的特点，发现在具有不规则障碍物的环境下现有的方法还有改进的空间。通过研究发现，不规则障碍物环境下路径规划难的原因是：对于形状不规则的障碍物，很难用适当的方法建立其准确的解析模型，从而很难用现有的搜索算法寻找最优路径。其次，提出一种称为的类三维地图的地图拓扑方法，并详细介绍了类三维地图的创建方法。类三维地图是在普通二值栅格地图的基础上，给所有栅格点按一定规则赋予高度值。在这种地图中，当路径规划过程中遇到障碍物时，不需要借助其他信息，而仅仅利用障碍物本身的高度信息即可完成避障。再次，在类三维地图的基础上提出了下降方向和驻点概念，给出了下降方法和驻点的求取方法。下降方向像路标一样，给规划程序指明了可以以最少的代价成功避开障碍物的方向，使得规划过程不会陷入死锁。驻点是在规划过程中，根据给定起点和目标点的实际位置动态提取的障碍物的顶点，由驻点生成规划路径可以避免给障碍物建立解析模型。设计了路径规划方法，仿真结果表明该方法可以在不规则障碍物环境下很好的完成路径规划，不足之处在于所求得的路径不是最优路径。最后，为了在类三维地图中寻找到最优路径，提出了子路径的概念，子路径中包含有最优路径；为了从众多子路径中快速高效的找出最优路径，改造了A*算法；改造的关键步骤是：构造以路径为估价对象的估价函数和由子路径组成的状态空间，设计合理的搜索流程。给出了应用改进方法得到的典型的路径规划结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究背景及意义
• 1.2 机器人概述
• 1.2.1 机器人的定义
• 1.2.2 机器人的发展历程
• 1.3 移动机器人关键技术
• 1.3.1 传感器
• 1.3.2 环境建模
• 1.3.3 定位
• 1.3.4 路径规划
• 1.4 本实验室自主开发的机器人简介
• 1.4.1 服务机器人
• 1.4.2 无人驾驶汽车
• 1.4.3 冷凝器清洗机器人
• 1.4.4 输电线路除冰机器人
• 1.4.5 检测机器人
• 1.5 本文所开展的研究工作
• 第2章 移动机器人体系结构
• 2.1 服务机器人硬件结构
• 2.1.1 性能指标
• 2.1.2 移动机构
• 2.1.3 电子系统
• 2.2 服务机器人软件结构
• 2.2.1 软件体系结构
• 2.2.2 服务机器人软件系统介绍
• 2.2.3 构件库的实现
• 2.3 服务机器人控制结构
• 2.3.1 运动层
• 2.3.2 感知层
• 2.3.3 决策层
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于类三维地图的移动机器人路径规划
• 3.1 引言
• 3.1.1 路径规划问题概述
• 3.1.2 路径规划方法简介
• 3.1.3 不规则障碍物环境下的路径规划方法分析
• 3.1.4 本章的主要研究内容
• 3.2 类三维地图的创建
• 3.2.1 类三维地图的概念和创建规则
• 3.2.2 类三维地图的创建方法
• 3.3 相关概念介绍
• 3.4 路径规划思路与完整算法
• 3.4.1 路径规划思路
• 3.4.2 路径规划完整算法
• 3.5 算法可行性分析
• 3.6 仿真实验
• 3.6.1 具有陷阱的环境下路径规划仿真
• 3.6.2 单一障碍物环境下路径规划仿真
• 3.6.3 多障碍物环境下路径规划仿真
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于 A*算法的类三维地图路径规划
• 4.1 第三章方法的缺陷分析
• 4.1.1 提取驻点
• 4.1.2 路径生成规则
• 4.1.3 分析
• 4.2 路径生成方法改进
• 4.2.1 相关概念与说明
• 4.2.2 子路径的生成方法
• 4.3 A*算法基本知识
• 4.3.1 启发式搜索算法
• 4.3.2 A*算法
• 4.4 改进 A*算法
• 4.4.1 求最优路径的思路
• 4.4.2 算法改进
• 4.4.3 算法可行性证明
• 4.5 仿真实验
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录 B 攻读学位期间所获专利