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结合优势结构和最小目标Q值的深度强化学习导航算法

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控制理论与应用 2024年第4期41卷 716-728页

作者：朱威洪力栋施海东何德峰浙江工业大学信息工程学院浙江杭州312000

针对现有基于策略梯度的深度强化学习方法应用于办公室、走廊等室内复杂场景下的机器人导航时,存在训练时间长、学习效率低的问题,本文提出了一种结合优势结构和最小化目标Q值的深度强化学习导航算法.该算法将优势结构引入到基于策略梯... 详细信息

针对现有基于策略梯度的深度强化学习方法应用于办公室、走廊等室内复杂场景下的机器人导航时,存在训练时间长、学习效率低的问题,本文提出了一种结合优势结构和最小化目标Q值的深度强化学习导航算法.该算法将优势结构引入到基于策略梯度的深度强化学习算法中,以区分同一状态价值下的动作差异,提升学习效率,并且在多目标导航场景中,对状态价值进行单独估计,利用地图信息提供更准确的价值判断.同时,针对离散控制中缓解目标Q值过估计方法在强化学习主流的Actor-Critic框架下难以奏效,设计了基于高斯平滑的最小目标Q值方法,以减小过估计对训练的影响.实验结果表明本文算法能够有效加快学习速率,在单目标、多目标连续导航训练过程中,收敛速度上都优于柔性演员评论家算法(SAC),双延迟深度策略性梯度算法(TD3),深度确定性策略梯度算法(DDPG),并使移动机器人有效远离障碍物,训练得到的导航模型具备较好的泛化能力.

关键词：强化学习移动机器人导航优势结构最小化目标Q值

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基于碰撞预测的强化模仿学习机器人导航方法

计算机工程与应用 2024年第10期60卷 341-352页

作者：王浩杰陶冶鲁超峰青岛科技大学信息科学技术学院山东青岛266100

基于学习的机器人导航方法存在对数据的依赖性高和在一些特定环境下表现不完美的问题,例如在空旷场景下无法走直线,在障碍物密集场景下碰撞率高。为了提高机器人的导航性能,提出了一种基于碰撞预测的强化模仿学习导航方法。在无模型的... 详细信息

基于学习的机器人导航方法存在对数据的依赖性高和在一些特定环境下表现不完美的问题,例如在空旷场景下无法走直线,在障碍物密集场景下碰撞率高。为了提高机器人的导航性能,提出了一种基于碰撞预测的强化模仿学习导航方法。在无模型的情况下,根据机器人的性能,建立马尔科夫决策过程(Markov decision process,MDP)中所需要的状态空间、动作空间、奖励函数。采用深度强化学习(deep reinforcement learning,DRL)在仿真环境中进行训练,使机器人获得能够在多障碍环境中导航和避障的能力。使用收集到的专家数据按照模仿学习方法对策略继续进行训练,改善强化学习在障碍物稀疏和密集两种极端情况下表现不完美的问题。设计了一个碰撞预测模型,将传统控制与深度学习相结合,根据预测结果,使机器人自适应地在不同环境下选取合适的控制策略,大大提高了导航的安全性。通过实验,在大量从未遇到过的场景下验证了所提出方法的导航性能和泛化能力。

关键词：导航强化学习模仿学习碰撞预测混合控制

增强现实技术导航辅助设计分叶股前外侧穿支皮瓣修复四肢软组织缺损8例

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中华显微外科杂志 2024年第1期47卷 28-33页

作者：罗翔杨克勤韦平欧莫勇军梁旭权许林植宁喜谭霄贵港市人民医院手足显微骨科广西贵港537100 广西数字医学与3D打印临床医学研究中心广西贵港537100 贵港市人民医院创伤运动骨科广西贵港537100

目的:探讨增强现实(AR)技术导航辅助设计分叶股前外侧穿支皮瓣(ALTPF)修复四肢软组织缺损的可行性及临床效果。方法:2017年6月至2023年6月,贵港市人民医院手足显微外科应用AR导航辅助设计分叶ALTPF修复肢体软组织缺损8例;均为车祸伤或... 详细信息

目的:探讨增强现实(AR)技术导航辅助设计分叶股前外侧穿支皮瓣(ALTPF)修复四肢软组织缺损的可行性及临床效果。方法:2017年6月至2023年6月,贵港市人民医院手足显微外科应用AR导航辅助设计分叶ALTPF修复肢体软组织缺损8例;均为车祸伤或机器伤,缺损部位小腿3例,踝部2例,手部2例,足部1例,所有创面均为宽大或不规则,缺损大小14 cm×14 cm~25 cm×13 cm;术前CTA检查获取患者双侧大腿动脉图像,选择优势侧、优势穿支血管,应用Mimics软件进行三维重建,应用AR导航进行患者体表血管及穿支浅出点定位,指导分叶ALTPF的设计与切取,皮瓣面积15 cm×16 cm~26 cm×14 cm,供区直接缝合;分别于术后1、3、6、12个月门诊或通过微信图片、视频方法随访,记录皮瓣外形、颜色、质地、感染是否复发及皮瓣供区侧伸膝功能等。结果:8例均按术前设计完成分叶穿支皮瓣切取与移植,术中探查穿支血管浅出点与术前定位一致。术后所有皮瓣均顺利成活,皮瓣受区与供区均一期愈合。术后随访3~12(平均8.6)个月,皮瓣色泽、质地优良,皮瓣供、受区外形满意;2例手部损伤患者应用密歇根手功能简表(MHQ)评分,分别为43.74分、81.25分,6例下肢损伤患者应用Maryland足踝部功能评分,优2例,良3例,可1例。结论:应用AR导航可以有效辅助分叶ALTPF的设计,为临床开展分叶穿支皮瓣的个性化评估与设计提供有效的依据。

关键词：股前外侧穿支皮瓣分叶皮瓣增强现实技术 CT血管造影导航

多视角视觉-惯性融合的车间AGV精确导航方法

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机器人 2024年第4期46卷 476-487页

作者：王鑫李耕宇曾子铭高焕兵张吟龙沈阳建筑大学电气与控制工程学院辽宁沈阳110168 深圳职业技术学院汽车与交通学院广东深圳518055 山东建筑大学信息与电气工程学院山东济南250101 山东省智能建筑技术重点实验室山东济南250101 中国科学院网络化控制系统重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016

以实现车间AGV精确导航为目标,针对视觉-惯性融合定位方法存在的缺少绝对位姿、绝对尺度估计不准确、累积误差大等问题,提出一种多视角视觉-惯性紧耦合的实时定位方法。首先为了建立全局参考坐标系,实现长期漂移校正,设计了一种具有全... 详细信息

以实现车间AGV精确导航为目标,针对视觉-惯性融合定位方法存在的缺少绝对位姿、绝对尺度估计不准确、累积误差大等问题,提出一种多视角视觉-惯性紧耦合的实时定位方法。首先为了建立全局参考坐标系,实现长期漂移校正,设计了一种具有全局一致性的视觉-惯性融合AGV导航框架。然后针对视觉-惯性融合初始化过程中的尺度估计不准问题,提出多视角相机与IMU(惯性测量单元)联合初始化方法,通过最大后验概率模型得到更精准的初始化参数。针对跟踪估计部分存在的误差累积和惯性偏差漂移问题,提出二维码位姿修正模型,对部分关键帧进行周期性补偿。针对优化建图部分存在的位姿优化易陷入局部极值问题,提出位姿约束优化模型,提高AGV定位精度。搭建了车间AGV导航平台上对本文方法进行了验证,并与当前最先进的视觉-惯性导航方法进行比对,结果表明本文方法的时间效率与定位精度均明显优于对比方法;平移的均方根误差小于50 mm,旋转的均方根误差小于2?。

关键词： AGV(自动导引运输车) 导航视觉-惯性融合多视角二维码全局一致

基于计算机视觉的小麦收获边缘导航线提取方法

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中国农机化学报 2024年第2期45卷 215-220页

作者：姚杰张春雨彭勇周爽安徽工程大学机械工程学院安徽芜湖241000 安徽科技学院机械工程学院安徽凤阳233100

针对小麦收割边缘受到麦茬、土壤、光照等环境因素影响导致的导航线提取精度低、运行速度慢等问题,为实现小麦精准化收获作业而提出一种基于水平投影和梯度下降的小麦收获边缘导航线提取方法。首先通过LAB阈值分割、形态学滤波等进行图... 详细信息

针对小麦收割边缘受到麦茬、土壤、光照等环境因素影响导致的导航线提取精度低、运行速度慢等问题,为实现小麦精准化收获作业而提出一种基于水平投影和梯度下降的小麦收获边缘导航线提取方法。首先通过LAB阈值分割、形态学滤波等进行图像分割,然后进行水平投影以提取出小麦收获边缘伪特征点,将伪特征点进行最小二乘拟合从而获得边缘特征点所在的ROI区域,并对该区域进行Canny边缘检测来提取出边缘特征点,最后利用梯度下降算法拟合出小麦收获边缘导航线,从而解决传统算法中所遇到的导航线拟合精度低、拟合速度慢等问题。试验结果表明:在小麦已收割和未收割区域对比度很低的情况下,处理一张分辨率为640像素×360像素的图像平均耗时163 ms,生成的导航基准线成功率高达95%,为智能农业机械在麦田中的自主行走提供一种可靠的、实时的导航方法。

关键词：农业机械视觉导航水平投影梯度下降

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基于空间目标定向观测的飞行器导航方法研究

空间控制技术与应用 2024年第3期50卷 11-22页

作者：熊凯周鹏魏春岭北京控制工程研究所北京100094 空间智能控制技术全国重点实验室北京100094

本文主要研究基于定向观测星相机和惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)信息融合的飞行器高精度导航方法.在已有导航方式中,惯性导航系统(inertial navigation system, INS)/全球导航卫星系统(global navigation satellite sy... 详细信息

本文主要研究基于定向观测星相机和惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)信息融合的飞行器高精度导航方法.在已有导航方式中,惯性导航系统(inertial navigation system, INS)/全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)组合导航在无线电信号拒止环境中存在性能下降的风险,传统INS/天文导航系统(celestial navigation system, CNS)组合导航能够抑制惯性测量单元中的陀螺漂移,但不能有效消除加速度计零偏的影响.针对上述问题,提出一种基于空间目标定向观测的飞行器自主导航新方法,在飞行器上配置星相机对星历已知的空间目标和背景恒星的视线方向(line-of-sight, LOS)进行观测,利用IMU进行状态预测,通过扩展卡尔曼滤波器(extended Kalman filter, EKF)获得载体位置、速度和姿态的估计值,同时,对惯性器件测量偏差进行校准.设计了基于克拉美劳下界(Cramer-Rao lower bound, CRLB)的观测目标优化选取策略,通过空间目标可见性分析、导航系统可观度分析以及导航滤波器数学仿真验证了所提方法的有效性.

关键词：飞行器导航空间目标优化选取卡尔曼滤波器

子目标驱动DQN算法的无人车狭窄转弯环境导航

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控制与决策 2024年

作者：耿玺钧崔立堃熊高刘知阳陕西理工大学机械工程学院

针对无人车在狭窄的转弯工作环境下传统导航存在无法构建地图或所构建地图障碍物膨胀半径过大以及定位和控制存在误差,从而导致无人车与障碍物相撞,无法有效完成导航任务的问题,通过将A*算法所生成的路径进行离散化,周期性选取路径点作... 详细信息

针对无人车在狭窄的转弯工作环境下传统导航存在无法构建地图或所构建地图障碍物膨胀半径过大以及定位和控制存在误差,从而导致无人车与障碍物相撞,无法有效完成导航任务的问题,通过将A*算法所生成的路径进行离散化,周期性选取路径点作为深度强化学习算法的目标点的方法,设计了子目标驱动DQN算法,并基于此建立了深度神经网络；采用软件搭建狭窄的转弯环境,使用子目标驱动DQN算法、无子目标驱动的DQN算法、DDPG算法、SAC算法分别对无人车进行训练,通过对比四种算法的收敛速度、执行步数以及导航成功率,证明子目标驱动DQN算法在完成狭窄转弯环境导航任务时,效果最好;将子目标驱动DQN算法的训练结果移植到全新的、空间更小、弯数更多的测试场景中进行测试,表明无人车能够顺利完成导航任务,从而证明了子目标驱动DQN算法的高扩展性.

关键词： A*算法路径离散化子目标驱动DQN算法无人车狭窄环境导航

应用于自动导引小车无线充电系统的导航与供电一体化线圈研究

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电工技术学报 2024年第14期 4294-4304页

作者：冯鸿运林飞杨中平方晓春北京交通大学电气工程学院

在自动导引小车（AGV）中采用无线电能传输（WPT）可以提高AGV充电及搬运效率。相比于电动汽车，AGV的导航系统为WPT的应用增加了新的挑战。为降低系统的复杂性和成本，该文提出一种无线充电线圈结构：DAD线圈，该线圈既可以实现无线供... 详细信息

在自动导引小车（AGV）中采用无线电能传输（WPT）可以提高AGV充电及搬运效率。相比于电动汽车，AGV的导航系统为WPT的应用增加了新的挑战。为降低系统的复杂性和成本，该文提出一种无线充电线圈结构：DAD线圈，该线圈既可以实现无线供电，又可以实现偏移检测。首先，结合DAD线圈的气隙磁场分布，对比方形线圈结构，分析DAD线圈导航和供电的原理；然后，对采用LCC-S型补偿拓扑的DAD线圈进行建模分析，提出具有耦合机构输出电压不受负载影响的谐振元件参数配置条件，进而给出耦合机构的电压增益、输出功率与传输效率表达式；最后，为验证所提出的DAD耦合机构偏移检测性能和系统传输特性，搭建30 mm间距的400 W无线充电样机装置，对DAD线圈的导航性能与供电性能进行了验证，在偏移范围为(-50～+50) mm之间，DAD线圈可以指示偏移方向与偏移大小，且效率波动在5%范围内，可以实现稳定的电能传输。

关键词：自动导引小车(AGV) 无线电能传输(WPT) 线圈导航

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改进灰色层次分析法的机动导航保障能力评估

弹箭与制导学报 2024年第1期44卷 75-83页

作者：吴北苹何晶王彦璎王晓薇空军工程大学信息与导航学院陕西西安710077 空军通信士官学校辽宁大连116600

针对未来战场样式形态的不确定性和机动性,机场的快速部署需求日益迫切,机动导航保障能力的高低直接影响和制约航空兵快速、机动的作战能力。文中针对机动导航保障能力评估的“小数据”“贫信息”不确定性特点,综合考虑机动部署条件下... 详细信息

针对未来战场样式形态的不确定性和机动性,机场的快速部署需求日益迫切,机动导航保障能力的高低直接影响和制约航空兵快速、机动的作战能力。文中针对机动导航保障能力评估的“小数据”“贫信息”不确定性特点,综合考虑机动部署条件下装备、环境影响因素及导航保障人员能力要求,建立了机动导航保障能力评估指标体系,提出了基于改进的灰色层次分析法的机动导航保障评估方法,构建了评估模型,为降低主观因素影响,从专家评分数据着手,应用3标度构造判断矩阵,将定性指标与定量指标区分细化构建评估样本矩阵。最后,实例结果表明,采用改进的3标度灰色层次分析法,判断矩阵的构建不需要一致性检验,评估计算步骤简化的同时,克服了评估中外界影响因素的复杂性、主观判断的模糊性和人为打分的随机性影响。

关键词：导航灰色层次保障能力评估