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基于3DVFH+和DWA算法的无人机轨迹规划研究

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基于3DVFH+和DWA算法的无人机轨迹规划研究

作者：王园电子科技大学

学位级别：硕士

轨迹规划是多年来一个非常活跃的研究领域,这些算法已经不断发展并变得更加完善,但是还是不能在飞行环境日益复杂多样化的今天满足用户对于的速度和轨迹质量不降反升的要求。在动态高密度障碍的三维未知环境中,目前的算法由于在二维或... 详细信息

轨迹规划是多年来一个非常活跃的研究领域,这些算法已经不断发展并变得更加完善,但是还是不能在飞行环境日益复杂多样化的今天满足用户对于的速度和轨迹质量不降反升的要求。在动态高密度障碍的三维未知环境中,目前的算法由于在二维或者二点五维平面解决三维问题,计算量会呈指数增加从而影响到算法的整体运行速度,并且由于忽略了无人机的动力学约束和三维空间垂直方向上的自由度,可能会出现三维空间中存在路径但是在二维空间中无法得到有效结果的情况从而造成全局总路径过长,增大无人机的飞行成本。因此在高密度动态三维环境中如何快速得到计算量小,无碰撞,平滑度高的最优或者接近最优的轨迹这个问题尚未得到最终解决,仍有巨大的改进潜力。本文提出了一种控制四旋翼无人机运动的实时轨迹规划方法,该算法可以在高密度障碍的动态环境中为无人机规划出一条低成本的可行三维轨迹,并且轨迹能够适应路径约束、无人机动力学约束和性能约束。该算法在3DVFH+算法的基础上进行了扩展,加入在二维空间中较常使用的动态窗口(DWA)算法。DWA作为经典的轨迹规划算法,使用评价函数选择最佳运动命令,速度快并且对于动态障碍躲避非常有效。本文为了提高评价函数的评价能力和适应无人机的动力学特性,将二维推广到三维并设计了一种新的加入自适应权重的评价函数。结合3DVFH+算法中使用了由深度摄像机产生的点云用于从无人机的周围环境中提取信息,然后定义3D八叉模型对点云进行压缩处理,避免了建立全局地图带来的计算量骤升的情况,算法实时性很好,且接近全局最优。比较结果表明,该混合方法在计算效率、平滑性和全局路径长度等方面都优于传统的3DVFH+算法和动态窗口算法。为了验证所得到的结果,除了在MATLAB中同进行对比仿验证真,同时使用Gazebo在虚拟生成环境中进行了模拟真实环境测试。仿真和实验结果都证明了该算法高效快速实现规划无人机在动态不确定环境下快速生成一个安全的,平滑的,计算量小以及符合无人机动力学的轨迹,成功达到期望的目标位置。

关键词：四旋翼无人机轨迹规划 3DVFH+算法动态窗口算法

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基于改进的动态窗口法的双舵轮轨迹跟踪研究

制造业自动化 2021年第11期43卷 89-93页

作者：任文强张秋菊江南大学机械学院无锡214000

以双舵轮移动平台为对象,借鉴动态窗口法并改进该算法,研究与分析使用改进动态窗口法后一般驱动形式下的路径跟踪问题。首先,分析常规的三种双舵轮驱动形式下的运动学模型,其次提出覆盖面积计算思想,并将其作为动态窗口法的一个评价指标... 详细信息

以双舵轮移动平台为对象,借鉴动态窗口法并改进该算法,研究与分析使用改进动态窗口法后一般驱动形式下的路径跟踪问题。首先,分析常规的三种双舵轮驱动形式下的运动学模型,其次提出覆盖面积计算思想,并将其作为动态窗口法的一个评价指标,然后改进动态窗口法中的速度搜索方法,利用Matlab工具进行仿真分析,最后搭建样机进行相关验证。最终结果表明,利用改进的动态窗口法可以提高路径跟踪准确率,并且比较三种常规驱动形式推论出第一种驱动形式更合适。

关键词：双舵轮驱动动态窗口算法轨迹跟踪

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多目的地自主移动机器人的路径规划

计算机工程与设计 2020年第10期41卷 2934-2941页

作者：余文凯章政金震黄卫华武汉科技大学机器人与智能系统研究院湖北武汉430081 武汉科技大学信息科学与工程学院湖北武汉430081

针对移动机器人规划多个目的地路径效率低的问题,设计一种结合全局静态规划与局部动态规划的多目的地路径规划算法。基于改进的A*算法规划出两地点间的路径,计算各路径的距离;依据此距离大小采用模拟退火策略对多个目的地进行优化排序,... 详细信息

针对移动机器人规划多个目的地路径效率低的问题,设计一种结合全局静态规划与局部动态规划的多目的地路径规划算法。基于改进的A*算法规划出两地点间的路径,计算各路径的距离;依据此距离大小采用模拟退火策略对多个目的地进行优化排序,规划出一条全局最优路径;依据最优路径动态设置当前的移动节点,改进动态窗口算法的选择指标。仿真结果表明,改进算法减少了规划路径的长度,运动速度更平稳;实时规划有效避开了障碍物,提高了移动机器人的安全性与准确性。

关键词：移动机器人多目的地路径规划 A*算法模拟退火策略动态窗口算法

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基于视野域的快速动态路径规划

现代电子技术 2023年第24期46卷 85-93页

作者：钟志峰周霖柯伟湖北大学计算机与信息工程学院湖北武汉430062

针对目前蚁群算法在路径规划策略中存在的易陷入凹陷、迭代时间长、转角多、避碰时等待时间长等缺点,提出了一种基于视野域的动态快速路径规划的蚁群算法。首先,采用栅格填充法对建立的栅格图中复杂形状障碍物存在的过多凹陷进行填充;其... 详细信息

针对目前蚁群算法在路径规划策略中存在的易陷入凹陷、迭代时间长、转角多、避碰时等待时间长等缺点,提出了一种基于视野域的动态快速路径规划的蚁群算法。首先,采用栅格填充法对建立的栅格图中复杂形状障碍物存在的过多凹陷进行填充;其次,采用改进的负反馈的蚁群算法来减少蚁群在无法找到有效终点方向的后续搜索;再次,模拟给蚂蚁加上视觉以便在特定区域搜索而减少过多的转折点,从而更快速地找出最优路径。同时,在行走过程中若存在障碍物动态变化,则结合动态窗口算法重新规划局部的最优路径。实验表明采用该规划算法可使路径长度减少11%,转角和行走时间减少45.4%和32.3%。所以该智能算法能够为机器在动态环境的自主规划与导航中提供一种可行的解决方法。

关键词：动态路径规划视野域蚁群算法栅格填充法负反馈动态窗口算法

城市环境下基于A*算法和DWA算法的无人机路径规划方法研究

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无人系统技术 2023年第2期6卷 61-70页

作者：李歆莹房建武长安大学运输工程学院西安710064

为解决城市环境下无人机在全局最优路径的基础上实现动态避障的路径规划需求,提出一种将改进A*算法和动态窗口算法(DWA)结合的算法。首先,利用无人机的起点和目标点构成一个二维平面与建筑障碍物的高度关系进行坐标转化,将三维城市地图... 详细信息

为解决城市环境下无人机在全局最优路径的基础上实现动态避障的路径规划需求,提出一种将改进A*算法和动态窗口算法(DWA)结合的算法。首先,利用无人机的起点和目标点构成一个二维平面与建筑障碍物的高度关系进行坐标转化,将三维城市地图转换成二维平面地图,改善路径规划过程中耗时长和计算速度慢的问题。其次,针对传统A*算法得到的路径存在过多的转角、不利于无人机飞行的问题,利用弗洛伊德(Floyd)法对全局路径进行平滑处理。最后,提取平滑处理后的路径父节点作为DWA算法的中间目标点,实现局部规划。实验结果表明,在不同类型的环境下,提出的融合算法既能保证更平滑和距离更短的全局最优路径,又能有效地躲避环境中出现的动态障碍物。

关键词：路径规划 A*算法动态窗口算法动态避障环境建模栅格法

基于动态环境的四旋翼无人机自主飞行技术研究

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基于动态环境的四旋翼无人机自主飞行技术研究

作者：李长锋华南理工大学

学位级别：硕士

多旋翼无人机已被发展成为致力于维护公共安全、国家稳定、社区环保的专业通信设备,是人们日常生活中的伙伴。随着使用场合的复杂化,外界对无人机自主飞行的要求不断提高,人们逐渐将目光投到路径规划技术的研究中,以增强无人机的自主飞... 详细信息

多旋翼无人机已被发展成为致力于维护公共安全、国家稳定、社区环保的专业通信设备,是人们日常生活中的伙伴。随着使用场合的复杂化,外界对无人机自主飞行的要求不断提高,人们逐渐将目光投到路径规划技术的研究中,以增强无人机的自主飞行技术。无人机路径规划技术的发展,一方面提高无人机飞行的可靠性与安全性,另一方面通过规划合理飞行路线,降低飞行成本,因此,研究无人机路径规划技术将为无人机自主飞行技术带来颇多益处。但现有的路径规划技术大多存在计算复杂、环境变更处理能力差等诸多问题。为此,本文针对四旋翼无人机路径规划技术的设计与实现展开讨论,目标在于设计一种四旋翼无人机在复杂动态环境下的路径规划技术。本文主要内容如下:首先,从系统的角度入手,详细描述了四旋翼无人机的组成部分。通过对四旋翼无人机不同运动姿态进行动力学分析,了解其飞行原理,并基于统一机器人描述格式在ROS(Robot Operating System)平台构建四旋翼无人机模型。同时,针对同时定位与地图构建技术在ROS中的实现,结合了RGB-D摄像头与ORB-SLAM2算法的使用,最终给出整体实验研究方案的设计。接着,在全局地图信息已知的前提下,提出一种融合A*算法与人工势场法的全局路径规划方法。在传统A*算法的基础上,对节点扩展策略进行了改进,引入人工势场法构建动态权值启发式函数,最后对规划所得的路径进行拐角优化与平滑处理。MATLAB仿真结果表明,所提方法能够快速生成全局最优路径。再者,在已知全局信息及其飞行路线的情况下,利用动态窗口算法对突发障碍物进行局部路径规划,提出障碍物区域膨胀处理的改进及其碰撞检测方案,扩大无人机预警范围,提前做出避障行为。最后,结合改进后的路径规划算法,在ROS平台下使用四旋翼无人机模型完成模拟实验。经过实验证明,改进后的路径规划方法可对目标航点做出最佳路径规划,面对突发障碍,及时做出避障动作。基于以上仿真结果,本文在结尾进行了真机实验,利用地面站观察无人机飞行情况,同样取得良好成果。

关键词：四旋翼无人机 A* 动态窗口算法同时定位与地图构建路径规划

基于激光导航的AGV路径冲突处理研究与应用

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基于激光导航的AGV路径冲突处理研究与应用

作者：古亚辉电子科技大学

学位级别：硕士

伴随着无人驾驶技术的发展,基于无人驾驶的AGV(Automated Guided Vehicle)产品越来越成熟,企业为了更好的适应智能化制造的需求,对AGV不再满足于手动控制或者传统的巡线导航,对其自主性的要求也变得愈来愈高。在AGV产品中,导航是其关键... 详细信息

伴随着无人驾驶技术的发展,基于无人驾驶的AGV(Automated Guided Vehicle)产品越来越成熟,企业为了更好的适应智能化制造的需求,对AGV不再满足于手动控制或者传统的巡线导航,对其自主性的要求也变得愈来愈高。在AGV产品中,导航是其关键功能,同时也是其智能化运行的重要体现,因此对AGV展开导航相关的研究具有重要的意义和价值。本文首先对国内外有关AGV导航及其路径规划的研究现状进行了介绍。然后开展了基于激光雷达导航的AGV的路径冲突处理研究。路径冲突处理研究从AGV全局路径规划和局部路径规划两个方面展开,最后实现AGV无冲突路径自主导航,本文研究内容主要分为下面五个部分:(1)分析了AGV整体系统模型,结合里程计进行其行驶的航迹推算,并分析了AGV激光雷达模型。(2)分析了常用的AGV建图算法底层系统理论并进行了推导,总结了SLAM算法中的地图类型,通过对比采用占用栅格地图建立AGV的地图模型,并对其进行了详细的理论分析。(3)对于全局路径规划算法首先研究了常用的A*算法的算法结构和原理,提出了对其算法当中在AGV实际运用中的问题。然后通过研究比较采用了PRM算法来解决AGV的全局路径规划和路径冲突,PRM算法搜索阶段采用A*算法,一方面继承了A*算法的优点;另一方面对分析A*算法所提出的问题得到解决。这时通过对PRM算法与A*算法规划的路径进行冲突分析比较,表明了PRM算法规划全局路径的优势性。(4)对于局部路径规划先分析了传统的动态窗口方法,对其进行了详细的理论研究以及通过两个实例对其进行速度选择进行分析。然后将人工势场算法融入动态窗口算法的速度评价函数形成改进的动态窗口算法,通过相同的实例分析进行对比,在出现静态障碍物和动态障碍物的速度行驶轨迹仿真以及对路径冲突的处理情况,证明了改进的动态窗口算法速度选择更具合理性。(5)开展了ROS(Robot Operating System)仿真实验和AGV现场环境实验研究,在两者中对AGV进行导航测试,AGV能成功的实现自主导航,无论是在已知的环境还是在环境中添加未知的障碍物,AGV都能没有冲突行为的安全的到达设置的目标点,验证了算法的有效性。

关键词： AGV PRM算法路径冲突动态窗口算法 ROS实验

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无人船路径规划与避碰算法研究

无人船路径规划与避碰算法研究

作者：黎承忠大连海事大学

学位级别：硕士

无人船作为国家军工及科研的重点研究对象,具有广泛的应用前景。路径规划算法作为无人船的关键技术,是自主控制领域的热点研究问题。在障碍物种类繁多的真实海域,无人船的路径规划与实时避碰是十分复杂且困难的,本文通过将传统路径规划... 详细信息

无人船作为国家军工及科研的重点研究对象,具有广泛的应用前景。路径规划算法作为无人船的关键技术,是自主控制领域的热点研究问题。在障碍物种类繁多的真实海域,无人船的路径规划与实时避碰是十分复杂且困难的,本文通过将传统路径规划算法加以改进,提出了一种全局与局部混合的分层路径规划方案,解决了无人船在真实复杂海洋环境下的路径规划与实时避碰问题,提升了无人船的航行安全性。本文主要展开了以下研究:首先,通过对海洋环境合理划分,并利用改进二值算法建立真实海洋环境模型,有效区分可行区域和不可行区域。通过在无人船周围设置一定的探测范围嵌入到路径规划算法中,应对定位误差以及沿海浅滩、暗礁给无人船带来的潜在危险,从而提升无人船航行的安全性。其次,为了解决传统遗传算法搜索效率低,易陷入局部僵局,易过早收敛,生成的路径不平滑等问题,提出了精英遗传和多样化增量等策略,设计了全局路径规划算法,能够高效的生成稀疏的航路点。通过与B-Spline拟合算法相结合,可直接生成一条平滑的路径。通过与其他算法进行仿真对比表明,所提出的算法可以成功躲避障碍物并生成一条安全路径,路径长度最短且平滑,与障碍物之间始终保持一定的安全距离,使无人船可以更安全高效的航行。再次,为了应对未知海域中随时可能出现的动、静态障碍物,通过改进动态窗口算法进行实时避碰。传统动态窗口算法没有将动态障碍物和静态障碍物合理区分,导致无人船在面对动态障碍物时产生更危险的避碰行为。本文通过引入新的评价函数增加无人船实时避碰动态障碍物的安全性,使无人船与动态障碍物保持更远的安全距离,产生较保守的避碰行为,生成安全的局部路径,通过仿真对比得出,无人船局部避碰的安全性有所提升。最后,在完成局部避碰时,通过在全局路径上插入虚拟航路点,使全局路径和局部路径无缝衔接,从而建立了无人船的全局和局部分层混合路径规划框架。为了验证所提出路径规划方案的有效性和安全性,通过在不同海洋区域与原始算法进行综合对比,仿真结果和研究数据表明,所提出算法生成的路径更短,安全性更高,无人船能够更高效、安全的航行。

关键词：无人船路径规划算法遗传算法动态窗口算法分层路径规划

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智能仓库移动机器人路径规划算法研究

智能仓库移动机器人路径规划算法研究

作者：陈娇西南交通大学

学位级别：硕士

电商行业的飞速发展推动我国物流业从劳动密集型向技术密集型转变,智慧物流成为物流行业的发展趋势,随之而来的是智能物流仓库以及各种先进配套技术装备的应用与普及。具备搬运、码垛、分拣等多功能的智能移动机器人成为智能物流仓库中... 详细信息

电商行业的飞速发展推动我国物流业从劳动密集型向技术密集型转变,智慧物流成为物流行业的发展趋势,随之而来的是智能物流仓库以及各种先进配套技术装备的应用与普及。具备搬运、码垛、分拣等多功能的智能移动机器人成为智能物流仓库中必不可少的设备,路径规划问题是广泛应用智能物流机器人等多种移动智能体的关键问题和首要问题。首先本文提出了一种基于可视点的移动机器人路径规划算法（VP-S）,主要包括筛选可视点和规划路径两部分。筛选可视点完成对环境中的障碍物顶点的预处理,得到移动机器人当前位置的可视点集合,缩小算法的搜索范围。路径规划利用启发函数从可视点集合中搜索最优节点,为移动机器人规划出从起点到终点的无障碍路径。VP-S算法能成功规划出一条无障碍路径,但规划的路径存在安全性不足、冗余节点多、平滑度低等缺陷,且只考虑了移动机器人的单任务情况,不适用智能物流仓库中移动机器人的多任务环境。然后针对VP-S算法的缺陷,对算法依次进行安全性、冗余节点、平滑度及动态避障和多目标四个方面的改进。为解决VP-S算法规划的路径安全性低的问题,在算法中加入障碍物虚拟体积膨胀系数enlarge＿index,提出了一种基于可视点的安全路径规划算法,保证了路径的安全性。针对VP-S算法规划的路径冗余节点多的问题,提出了一种基于可视点的无冗余节点路径规划算法,从路径起点依次向后运算并剔除路径上的冗余节点,保留路径必经的关键节点,使规划出的路径长度更短、折点更少。为解决VP-S算法规划的路径平滑度低、不符合移动机器人的运动特征的问题,提出了一种基于可视点的平滑动态路径规划算法。在动态窗口算法的启发函数中加入起点与终点中心连线的引导,再在算法中设置航向角偏差阈值实时修正移动机器人的航向角,然后融合改进的动态窗口算法完成对VP-S算法的平滑度和动态避障改进,保证路径的平滑度,使VP-S算法具备动态局部规划能力。随后,考虑到智能物流仓库中移动机器人的多任务环境,提出了一种基于可视图的多目标路径规划算法,使移动机器人在单次规划过程中可以到达多个目标,完成多个任务。最后,通过在机器人操作系统中（ROS）进行仿真实验,验证了本文提出的VP-S算法和改进的VP-S算法在智能物流仓库和实际应用中的可行性和优化性。然后通过与蚁群算法、A*算法等多种算法在不同复杂程度、不同尺寸的场景中进行仿真实验,验证了VP-S算法及改进VP-S算法规划的路径在长度、安全性以及平滑性三方面的优化性。

关键词：移动机器人路径规划算法可视点动态窗口算法