基于跳点搜索改进A*算法的移动机器人导航控制

作     者：殷祥钊 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘小平;胡凌燕;陈洪书

授予年度：2020年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：移动机器人 室内自主导航 改进A*算法 跳点搜索算法 

摘      要：移动机器人的导航技术是机器人领域的重点研究方向。目前比较常用的导航方式中,激光雷达导航由于其精度高、实时性好且环境适应能力强已经得到广泛的应用。本文采用二维激光雷达来实现移动机器人导航系统,对移动机器人导航系统中的自主定位、地图构建与路径规划三个关键问题进行了详细的研究。结合跳点搜索算法的思想对传统的A*寻路算法进行改进,实现了移动机器人的室内导航系统。本文的主要研究内容如下:首先,介绍了GMapping-SLAM框架的算法实现原理,并通过与Hector-SLAM和Cartographer-SLAM算法进行对比分析,分析了GMapping-SLAM框架在室内小场景下的优势。结合本文实际实验环境,最终决定选取GMapping-SLAM框架作为本文的定位与地图构建的主要框架。在仿真环境下进行定位与地图构建,得到环境完整的二维栅格地图,并将其保存下来供后续导航定位调用。其次,结合跳点搜索算法的思想对传统的A*寻路算法进行改进。传统的A*寻路算法本身的搜索策略会产生很多冗余计算节点,直接导致了传统A*算法在较大场景中进行路径规划时存在一些缺陷,如计算量大、内存消耗严重和寻路速度慢等。本文将跳点搜索算法的思想融入传统的A*算法,通过在栅格地图中定义关键节点:“跳点,可以在保证获得最优路径的同时,显著提高移动机器人寻路速度,减少内存开销,特别是在较大场景下提升系统的实时性效果更加明显。最后,通过实际实验来验证本文提出的算法和导航系统性能。首先在室内未知环境中进行定位与构建地图实验,通过GMapping-SLAM获得满足导航要求的栅格地图;其次通过给定目标点的自主导航实验测得系统的导航误差为厘米级别,满足室内服务机器人的精度要求;再通过路径规划算法对比效果验证了改进A*算法能够显著提高寻路速度,增强实时性。最后进行动态避障测试,确定了导航系统可以满足动态避障的要求,能够保证导航中的安全性。综上,本文通过采用二维激光雷达来实现移动机器人导航系统,对导航系统中的移动机器人自主定位、地图构建与路径规划三个问题进行了详细的研究。得到了一套精度较高、安全性好、可移植性强的室内导航系统。