非完整移动机器人运动规划算法研究

论文摘要

移动机器人运动规划研究如何设计适当的控制输入使系统安全无碰的从起始点运动到目标点的问题。由于非完整约束广泛存在于轮式机器人、空间机器人等移动机器人系统中,运动规划除了需要考虑位姿空间中由障碍物引起的约束外还需要考虑非完整性引起的运动受限问题,因此非完整约束给移动机器人运动规划问题带来了很大的挑战。本文以受非完整约束的移动机器人为研究对象,主要研究满足非完整约束条件的运动规划算法。具体工作和创新点如下：1.详细阐述非完整约束的定义、非完整系统的判定准则及建立非完整系统模型的方法；给出车型机器人、带推力器的平面板、差分驱动机器人等典型非完整移动机器人的运动学模型,为后续运动规划算法的研究建立基础。2.对基于随机采样的快速搜索随机树算法（Rapidly-exploring Random Trees, RRT）进行详细分析,针对其全局均匀搜索导致算法收敛速度较慢问题引入目标偏向思想,并选择计算复杂度低的距离参数对最近邻域搜索进行近似,提高算法的搜索速度。提出基于栅格划分的搜索空间自由度估算因子概念,指引随机树搜索无障碍空间。改进控制输入的选择机制,提高树的搜索效率。改进后的RRT算法对于易陷入局部最小、存在狭窄通道等复杂环境中的运动规划问题也能有效解决。3.针对全局环境未知的运动规划问题,将滚动窗口算法与改进的RRT算法结合,提出简化的子目标映射法则提高算法效率,通过选择关键状态点解决滚动窗口法易产生振荡的问题。通过仿真实验比较了本文提出的改进算法与相关传统算法的性能,证明本文提出算法的有效性和高效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 移动机器人的发展
• 1.2 受非完整约束的移动机器人
• 1.2.1 机器人位姿空间
• 1.2.2 非完整约束移动机器人
• 1.3 运动规划研究背景
• 1.3.1 路径规划算法综述
• 1.3.2 运动规划算法综述
• 1.4 本文主要工作及创新点
• 1.5 论文的组织结构
• 第2章 非完整移动机器人运动模型
• 2.1 完整约束与非完整约束
• 2.2 非完整系统的判定及模型建立
• 2.2.1 约束方程的不可积性
• 2.2.2 非完整系统模型的建立
• 2.3 典型非完整机器人模型
• 2.3.1 差分驱动机器人
• 2.3.2 车型移动机器人
• 2.3.3 携带推力器的平面板模型
• 2.3.4 单轮车模型
• 2.3.5 拖车模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 改进RRT算法在运动规划中的应用
• 3.1 非完整移动机器人运动规划问题描述
• 3.2 快速搜索随机树（RRT）算法
• 3.3 改进的RRT算法（一）
• 3.3.1 目标偏向
• 3.3.2 最近邻搜索近似
• 3.3.3 仿真实验与结果分析
• 3.4 改进的RRT算法（二）
• 3.4.1 空间自由度因子
• 3.4.2 控制输入选择机制
• 3.4.3 仿真实验与结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 改进RRT在未知环境中的应用
• 4.1 滚动窗口算法原理
• 4.2 改进的子目标映射法则
• 4.3 关键状态点选择
• 4.4 仿真实验与结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢