非完整约束条件下移动机器人路径规划

论文摘要

非完整移动机器人应用领域广泛,现已成为机器人研究领域的热点。本文对路径规划这一非完整移动机器人研究中的重点问题展开理论与应用研究,针对不同环境设计了与之相应的路径规划算法,使得非完整移动机器人可有效完成具有自主环境适应能力的路径规划任务。针对环境已知情况,本文提出一种基于栅格点的全局路径规划算法。该算法采用改进距离传播算法规划出完整路径,然后使用三次样条插值光滑路径以满足非完整约束的要求。在栅格点的基础上构建三维状态空间中的状态格,由此组成非完整路图并采用A~*算法搜索可行路径。针对存在狭小空间的环境特点提出了多层状态格算法,从而保证障碍物周围状态格的数量显著增多但自由区域内的数量无明显变化。基于优化思想提出了一种路径规划算法,该算法充分考虑机器人与目标点的距离及角度、机器人速度以及障碍物这三种因素的影响,并通过建立导航评价函数将路径规划问题转化为离散优化问题。借鉴动态窗思想确定机器人速度的搜索范围,并以此为基础利用遗传算法完成机器人最优避障速度的求解。针对环境部分已知情况下的路径规划问题,提出了一种全局最优和局部快速避障相结合的混合路径规划方法。全局路径规划采用改进距离传播算法规划出远离障碍物的局部目标点序列。依据激光测距信息提出一种导向控制算法可实现机器人的局部路径规划,并能保证针对未知障碍物的快速避障。仿真结果和实际复杂室内环境下的实验结果均验证了所提方法的有效性和实用性。本文最后对基于POMDP的导航系统作了探索性的研究,重点讨论了在实现POMDP过程中的状态估计与动作决策问题,为今后开展POMDP导航研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 非完整移动机器人运动学模型
• 1.2 完整性约束与非完整性约束
• 1.2.1 完整性约束条件
• 1.2.2 非完整性约束条件
• 1.3 非完整移动机器人路径规划
• 1.3.1 问题描述
• 1.3.2 非完整路径规划主要方法概述
• 1.4 Pineer3-DX型室内移动机器人
• 1.5 本文主要内容与安排
• 2 已知环境下的全局路径规划
• 2.1 基于栅格点序列的路径规划
• 2.1.1 栅格点序列
• 2.1.2 改进距离传播算法
• 2.1.3 路径光滑处理
• 2.1.4 仿真实验及结果分析
• 2.2 基于状态格的A*算法
• 2.2.1 状态格
• 2.2.2 控制集
• 2.2.3 起始状态格和目标状态格的确定
• 2.2.4 仿真结果及分析
• 2.3 多层状态格
• 2.3.1 多层状态格算法
• 2.3.2 仿真实验
• 2.4 基于导航评价函数的机器人路径规划
• 2.4.1 算法描述
• 2.4.2 导航评价函数
• 2.4.3 离散优化问题和输入量范围选择
• 2.4.4 仿真实验及结果分析
• 3 部分未知环境下的混合路径规划
• 3.1 激光测距仪模型
• 3.1.1 激光测距仪介绍
• 3.1.2 激光测距仪模型
• 3.2 基于激光观测的局部路径规划
• 3.2.1 距离直方图与二值直方图
• 3.2.2 确定目标方向与备选可行方向
• 3.2.3 可行方向选取
• 3.2.4 控制策略
• 3.3 混合路径规划
• 3.4 实验结果及分析
• 3.4.1 局部路径规划实验结果及分析
• 3.4.2 混合路径规划实验结果及分析
• 4 基于POMDP的机器人导航
• 4.1 导航系统组成
• 4.1.1 POMDP决策层
• 4.1.2 引导层
• 4.2 POMDP决策过程
• 4.2.1 POMDP决策决策过程的概念
• 4.2.2 POMDP在移动机器人的应用
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢