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复杂环境下基于强化学习的自主移动机器人路径规划算法研究

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复杂环境下基于强化学习的自主移动机器人路径规划算法研究

作者：白泽琨西安理工大学

学位级别：硕士

自主移动机器人(Autonomous Mobile Robot,AMR)因其体积小、部署灵活以及可独立完成任务等优点,在生物医学、空间探索、工程设备检修等领域获得了广泛的应用前景。路径规划是AMR实现自主运动的核心技术之一,是其完成自主导航与既定任务... 详细信息

自主移动机器人(Autonomous Mobile Robot,AMR)因其体积小、部署灵活以及可独立完成任务等优点,在生物医学、空间探索、工程设备检修等领域获得了广泛的应用前景。路径规划是AMR实现自主运动的核心技术之一,是其完成自主导航与既定任务的基础。目前大多的传统路径规划算法为AMR进行路径规划导航时,不仅需要大量的环境先验信息还有可能陷入局部最优解,因此难以在环境信息未知、环境中存在干扰以及障碍物动态变化等情况下执行导航任务。基于强化学习的路径规划方法可以不需要任何先验经验,并通过AMR与环境交互进行自主学习与决策,使AMR具有自主学习与适应不同环境的能力,但是也存在收敛速度慢、探索效率低等问题。本文基于强化学习方法,针对不同未知环境下AMR的路径规划问题进行了研究,提出了相应的改进强化学习算法模型。主要工作如下:(1)为了解决AMR在未知环境下的最优路径规划问题,如收敛速度慢、容易与障碍物接触碰撞等,提出了一种基于花粉授粉算法(FPA)的改进Q-Learning算法(Modified Q-Learning with Flower Pollination Algorithm,MQ-FPA)。首先,利用 Q-Learning 算法建立AMR与环境的交互关系,并设计了基于人工势场方法的连续奖励函数,提高算法学习效率。然后,利用FPA算法对Q-Learning算法的Q表进行初始化,使AMR能够不再从零开始探索环境,而是根据FPA获得的先验经验以完成更优的探索,提高Q-Learning算法的收敛速度。最后,仿真结果表明,与传统的Q-Learning算法相比,所提出的MQ-FPA算法具有适应性更强、路径规划速度更快、在不同障碍物环境下的避障性能更好等优点。(2)针对AMR在现实环境下进行路径规划时存在对环境信息依赖性大、计算时间长、抗干扰能力弱等问题,提出了一种基于改进深度强化学习的路径规划算法,指导AMR在未知环境下找出最优路径。首先,将AMR的路径规划描述为马尔可夫决策过程(Markov Decision Process,MDP)框架,并利用 Double Deep Q Networks(DDQN)获得 AMR路径规划的最优自适应解。其次,设计了一个集成启发式函数的综合奖励函数,以引导AMR安全且快速的接近目标区域。然后,设计了一种自适应ε-greedy动作选择策略,以解决DQN算法探索与开发之间的困境,结合优化的深度神经网络进一步提高AMR路径规划的全局搜索能力和收敛性能。此外,还利用Bezier曲线理论来平滑规划路径。最后,本文进行了比较仿真,以评估我们提出的路径规划算法。结果表明,与DQN、A*、RRT、APF算法相比,我们改进的DDQN算法能生成更安全、更短的全局路径。同时,IDDQN算法对未知环境中的随机扰动具有较强的适应性。(3)为实现AMR在具有静态与动态障碍物的混合未知环境下完成路径规划,提出了一种基于改进Dueling Double DQN(D3QN)算法模型。该算法在提高D3QN算法学习效率的同时确保AMR可输出安全且光滑的最优避碰路径。首先,在D3QN算法模型的基础上构建综合奖励函数,从而引导AMR安全快速地向目标点移动。其次,将优先经验回放技术整合入D3QN算法的框架,以增加重要样本的利用率,加速算法的收敛。随后,引入融合动作掩码操作的自适应贪婪策略,提升AMR的动态避障性能并保证其在后期执行动作的最优性。接着,通过B样条曲线对规划所得路径进行平滑处理,使得最终路径更加符合实际环境中AMR的行动轨迹。最后,在静态和动态环境中对所提出的ID3QN算法性能进行了验证。仿真结果表明在静态环境下ID3QN算法比DDQN算法收敛速度更快、训练结果更稳定,同时ID3QN生成的路径在确保路径长度更短的同时确保路径地光滑性。在未知动态环境中,ID3QN生成的路径可以使AMR成功避开或绕过移动障碍物并完成路径规划任务。

关键词：自主移动机器人路径规划强化学习深度强化学习 Q-Learning算法 DDQN算法 D3QN算法

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自主移动机器人提高行李处理效率

自主移动机器人提高行李处理效率

成都日报

作者：李娟

在上万平方米的研发测试基地，自主移动机器人（AMR）根据既定路线有序灵活地运输着行李箱，当遇到障碍物时，立即改变路线，继续前往目的地……昨日，记者走进位于新津的民航成都物流技术有限公司，看到这里正在进行繁忙的产品调试。... 详细信息

在上万平方米的研发测试基地，自主移动机器人（AMR）根据既定路线有序灵活地运输着行李箱，当遇到障碍物时，立即改变路线，继续前往目的地……昨日，记者走进位于新津的民航成都物流技术有限公司，看到这里正在进行繁忙的产品调试。“这是公司推出的第四代行李智能处理模式......

关键词：自主移动机器人行李处理系统处理效率

来源： cnki报纸评论

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自主移动机器人三角定位的路标优化

东北大学学报（自然科学版） 2004年第1期25卷 24-27页

作者：张祥德牛纪祥董再励东北大学理学院辽宁沈阳110004 中国科学院机器人学开放研究实验室辽宁沈阳110015

针对给出的机器人三角定位算法,推导出路标设置对定位影响的几何精度标准,证明了参与定位的路标数目为3个和3个以上的情况下,如果路标与机器人的距离都相等,那么当相邻路标与机器人所成夹角都相等时,机器人的定位精度最高;进而给出了最... 详细信息

针对给出的机器人三角定位算法,推导出路标设置对定位影响的几何精度标准,证明了参与定位的路标数目为3个和3个以上的情况下,如果路标与机器人的距离都相等,那么当相邻路标与机器人所成夹角都相等时,机器人的定位精度最高;进而给出了最优路标选取算法·实验和实践结果也进一步证明所得结论的有效性·

关键词：自主移动机器人三角定位定位精度循环群最优路标选取算法

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自主移动机器人的室内结构化环境地图创建

控制理论与应用 2008年第4期25卷 767-772页

作者：陈家乾何衍蒋静坪浙江大学电气工程学院浙江杭州310027

定位与地图创建是自主移动机器人领域研究的重要课题.本文阐述了一种以扩展卡尔曼滤波算法为主要框架,运用直接位姿控制模型描述机器人运动的算法,实现了机器人在室内结构化环境中的同时定位和地图创建.仿真与实验结果表明,里程计信息... 详细信息

定位与地图创建是自主移动机器人领域研究的重要课题.本文阐述了一种以扩展卡尔曼滤波算法为主要框架,运用直接位姿控制模型描述机器人运动的算法,实现了机器人在室内结构化环境中的同时定位和地图创建.仿真与实验结果表明,里程计信息无法满足定位和创建环境地图的要求,本文算法则能够实现机器人的精确定位,并生成满足一致性要求的地图.

关键词：同时定位和地图创建自主移动机器人扩展卡尔曼滤波器直接位姿控制模型一致性地图

自主移动机器人混合式体系结构的一种Multi-agent实现方法

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机器人 2006年第5期28卷 478-482页

作者：秦志斌钱徽朱淼良浙江大学计算机科学与技术学院人工智能研究所浙江杭州310027

提出了一种简单实用的方法,优化了基于MAS的自主移动机器人系统在紧急状态下的性能.传统的基于MAS的体系结构在处理紧急事件时系统导航延迟时间较长.该方法将传统的基于MAS的体系结构修改为混合式体系结构,定义了紧急事件集合和紧急状... 详细信息

提出了一种简单实用的方法,优化了基于MAS的自主移动机器人系统在紧急状态下的性能.传统的基于MAS的体系结构在处理紧急事件时系统导航延迟时间较长.该方法将传统的基于MAS的体系结构修改为混合式体系结构,定义了紧急事件集合和紧急状态集合,改进了离散事件状态模型,实现了定序器Agent.实验结果表明,这种方法缩短了系统导航延迟时间,提高了系统的智能性和安全性.

关键词：自主移动机器人混合式体系结构多智能体系统

自主移动机器人视觉信息处理技术研究发展现状

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高技术通讯 2008年第1期18卷 104-110页

作者：原魁路鹏邹伟中国科学院自动化研究所高技术创新中心北京100080

视觉系统是自主移动机器人感知外界环境的主要手段之一。本文介绍了自主移动机器人视觉系统的基本组成以及不同类型的机器人视觉系统的主要特点,并结合自主移动机器人视觉系统的发展趋势,比较详细地介绍了基于 ASIC、DSP、FPGA、视觉芯... 详细信息

视觉系统是自主移动机器人感知外界环境的主要手段之一。本文介绍了自主移动机器人视觉系统的基本组成以及不同类型的机器人视觉系统的主要特点,并结合自主移动机器人视觉系统的发展趋势,比较详细地介绍了基于 ASIC、DSP、FPGA、视觉芯片等技术的嵌入式视觉信息处理单元的主要特点及研究发展现状。本文最后提出了实现具有较强实用性的自主移动机器人视觉系统所需要解决的高实时性、通用性和适应性等若干关键问题。

关键词：自主移动机器人视觉系统视觉处理单元现场可编程阵列(FPGA) 视觉芯片

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自主移动机器人激光全局定位系统研究

机器人 2000年第3期22卷 207-210页

作者：董再励王光辉田彦涛朱枫洪伟中国科学院沈阳自动化所机器人学开放研究实验室吉林工业大学信息科学与工程学院长春130025

本文介绍了我们研制开发的一种用于自主移动机器人的激光全局定位系统 ,重点描述了该系统的硬件结构和工作原理 ,介绍分析了定位算法 .文章最后介绍了该定位系统在实验室条件下所进行的实验 .实验结果表明 :该系统具有较高的定位精度和... 详细信息

本文介绍了我们研制开发的一种用于自主移动机器人的激光全局定位系统 ,重点描述了该系统的硬件结构和工作原理 ,介绍分析了定位算法 .文章最后介绍了该定位系统在实验室条件下所进行的实验 .实验结果表明 :该系统具有较高的定位精度和抗干扰能力 ,是自主移动机器人理想的定位工具 .

关键词：激光全局定位系统自主移动机器人定位算法

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自主移动机器人导航与定位性能测试设备研究

高技术通讯 2014年第7期24卷 752-758页

作者：周维李斌张国伟刘鹏郑怀兵中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院大学北京100049

进行了基于轨迹分析方法测试自主移动机器人自主导航能力的研究,成功研制出了一种基于高精度GPS系统的机器人导航与定位性能测试仪器。从理论上论证了这一导航性能测试装备的软硬件设计、数据处理方法和导航测试指标的研究,并通过实验... 详细信息

进行了基于轨迹分析方法测试自主移动机器人自主导航能力的研究,成功研制出了一种基于高精度GPS系统的机器人导航与定位性能测试仪器。从理论上论证了这一导航性能测试装备的软硬件设计、数据处理方法和导航测试指标的研究,并通过实验验证了该设备自身定位的精确性以及对实验机器人进行快速自主导航性能测试的能力。

关键词：自主移动机器人轨迹分析自主导航性能测试测试装备

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自主移动机器人自适应室外道路检测

中国图象图形学报 2014年第7期19卷 1046-1053页

作者：杜明芳王军政李静崔广涛方建军曹海青北京理工大学复杂系统智能控制与决策国家重点实验室北京100081 北京联合大学自动化学院北京100101

目的为降低室外自主移动机器人视觉导航中遇到的阴影、裂纹及道路边界不规则造成的道路检测算法不鲁棒性,提出一种每帧灰度阈值可调的快速自适应道路检测方法。方法先采用2维离散小波进行道路图像分解与重构,比较各级小波重构后的近似... 详细信息

目的为降低室外自主移动机器人视觉导航中遇到的阴影、裂纹及道路边界不规则造成的道路检测算法不鲁棒性,提出一种每帧灰度阈值可调的快速自适应道路检测方法。方法先采用2维离散小波进行道路图像分解与重构,比较各级小波重构后的近似道路图像,确定出不影响"路—非路"灰度二分类的最佳分辨率等级;在低分辨率尺度空间中,用灰度类间最大方差和类内最小方差共同构造适应度函数,采用改进的遗传算法对各帧道路图像进行阈值自适应分割,找到准确的道路边界,最近两边界中心位置即机器人行驶方向。采用小型陆地自主车作为研究平台,并在卡耐基梅隆大学(CMU)提供的室外移动机器人道路视频中进行算法测试。结果本文方法能够在具有阴影、裂纹、光照度变化的道路条件下鲁棒分割出道路边界,机器人可以平均30 km/h的速度在有较严重阴影干扰的校园道路上行驶,视觉系统的处理速度平均可达到20 ms/帧。结论本文方法比传统的灰度直方图分割法表现出更强的环境自适应性,可实现较为鲁棒的室外道路检测,并可作为室外自主移动机器人非结构化道路检测的一种鲁棒性较强的方法加以推广。

关键词：自主移动机器人小波压缩遗传算法自适应道路检测