基于空间约束的路径规划与视景仿真研究

论文摘要

在经济全球化和信息化的推动下,现代物流技术已经成为一个包含机械学、计算机科学、管理工程学和自动控制技术等多学科融合的技术,自动导引小车(AGV)正是现代物流技术的典型代表。作为物流配送过程中的关键问题之一,车辆路径规划问题(VRP)是指AGV按照某一性能指标(如距离、时间、能量等)搜索一条从起始点到目标点的最优或次优安全路径,因此它主要涉及的问题包括：如何利用已知AGV工作环境信息建立一个合理的模型,利用某种算法寻找一条从起始点到目标点的最优或者次优安全路径。本文首先对AGV的全局路径规划方法进行了研究。在工作环境已知的情况下,按照一定简化规则得到AGV运行环境的电子地图数据,从而对运行环境进行建模,再利用voronoi图对环境进行划分,最后采用dijkstra最优搜索算法为AGV寻找到一条威胁代价最小情况下的粗略最短路径。考虑到AGV的动力学约束,利用B样条曲线对粗略最短路径进行平滑和修正,得到最终全局优化路径。提出在利用二维仿真对路径规划算法进行理论验证的基础上,利用视景仿真(Scene Simulation)技术,模拟AGV运行的整个场景和AGV随时间变化的运行状态,从而对先期的理论算法进行检验和评估。在三维视景仿真软件Vega中,利用Hermite曲线对全局优化路径上的关键点进行拟合,构建平滑的曲线,从而根据曲线上点的位置坐标和欧拉角(x,y,z,h,p,r)来控制AGV的连续运动。对于路径规划与视景仿真的交互方法,本文对数据接口的定义,特殊效果、声效的模拟,人机交互的方法分别进行了详细的阐述,并对将Opengl引入到Vega开发环境的一些关键技术和方法进行了相关的研究。最后介绍了自动导引小车(AGV)运动视景仿真系统的体系结构和视景仿真的实验效果。仿真结果表明：自动导引小车(AGV)在按照全局路径规划求解得到的路径运动过程中,没有与障碍物等空间约束发生碰撞等事故,从而验证了全局路径规划算法的正确性。因此,利用视景仿真系统,能够使设计人员在虚拟场景中得到形象、直观、准确的信息,对基于voronoi图的路径规划理论和算法进行检验,从而提升了理论和算法在现实中的工程应用价值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究背景与目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 路径规划技术研究现状
• 1.2.2 视景仿真技术研究现状
• 1.3 本文研究内容与结构安排
• 第二章 路径规划与视景仿真技术研究
• 2.1 voronoi图的基本性质与应用
• 2.1.1 voronoi图的定义与性质
• 2.1.2 voronoi图的应用
• 2.2 环境信息的建模技术
• 2.3 视景仿真开发环境Multigen Vega
• 2.3.1 Vega的基本组成及工作原理
• 2.3.2 Vega中三维图形渲染的基本理论
• 2.3.3 Vega类
• 2.3.4 Vega API结构
• 2.3.5 基于Vega的视景仿真系统创建过程
• 第三章 基于voronoi图的AGV路径规划
• 3.1 路径规划算法
• 3.1.1 voronoi图的构造方法
• 3.1.2 voronoi图顶点的确定及其邻接关系
• 3.1.3 出发点和目标点的处理
• 3.2 用dijkstra算法求取粗略最短路径
• 3.2.1 路径代价的计算
• 3.2.2 用dijkstra算法求取粗略最短路径
• 3.3 路径的修正与平滑
• 第四章 路径规划与视景仿真的交互方法
• 4.1 视景仿真中用Hermite曲线控制AGV运动
• 4.1.1 三次Hermite曲线及其特性
• 4.1.2 在视景仿真中生成三次Hermite曲线的方法
• 4.1.3 Vega中AGV姿态控制方法
• 4.1.4 控制AGV沿Hermite曲线运动的算法
• 4.2 数据接口的定义
• 4.3 特殊效果、音效的模拟
• 4.3.1 特殊效果的模拟
• 4.3.2 音效的模拟
• 4.4 将OpenGL引入Vega的关键技术与方法
• 4.4.1 回调函数的调用
• 4.4.2 场景融合
• 4.5 人机交互过程
• 4.5.1 多窗口模块人机交互
• 4.5.2 场景视点人机交互
• 第五章 系统应用
• 5.1 系统的结构
• 5.1.1 系统的结构框架设计
• 5.1.2 系统的基本Vega程序
• 5.1.3 面向分层结构和并行开发的工程
• 5.2 仿真实验
• 5.2.1 仿真演示环境
• 5.2.2 仿真实验结果
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的工作总结
• 6.2 进一步研究设想
• 参考文献
• 致谢
• 作者从事科学研究和学习简历