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面向动态障碍物的柔性车间AGV路径规划研究

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面向动态障碍物的柔性车间AGV路径规划研究

作者：冯浩然浙江科技学院

学位级别：硕士

随着人工智能的应用和发展,传统生产运输方式逐步将被淘汰,AGV的应用与开发得到了越来越多的关注,在智能制造业中占有极其重要的地位,是现代数控车间及物流系统的关键组成部分。作为物流运输的移动机器人,路径规划是其关键技术,路径规... 详细信息

随着人工智能的应用和发展,传统生产运输方式逐步将被淘汰,AGV的应用与开发得到了越来越多的关注,在智能制造业中占有极其重要的地位,是现代数控车间及物流系统的关键组成部分。作为物流运输的移动机器人,路径规划是其关键技术,路径规划问题也已成为当下研究的热点,也随之而来出现了各种难题,尤其是在面对复杂的现实环境时,AGV能否定位精准,规划出最优路径,安全避开各种障碍物并顺利抵达目的地,是AGV作业是否合格的重要参考指标。针对AGV在柔性车间复杂环境中可以实现自主导航作业为目标的问题,以ROS操作系统为基础,对AGV路径规划算法进行改进,实现了一套完整的柔性车间AGV导航系统,通过实验以验证。首先针对AGV路径规划前所需进行构建地图环境的问题,研究并选择激光SLAM算法进行环境建图,对激光SLAM技术原理进行深入研究与分析,构建出SLAM系统的相关模型,对激光雷达进行选型与调试,研究并采用Gmapping＿SLAM算法构建环境地图原理并成功通过该算法得到与周围环境一致性和精准度较高的地图。路径规划在AGV的运动控制中所起作用极为关键,且路径规划算法的效率直接影响AGV的寻路效率,因此,最后对AGV路径规划问题进行深入研究。针对传统A*算法在AGV路径规划中存在搜索范围大、转折多、实时性差等缺点,以A*算法为基础,通过建立栅格地图,改进启发函数,去除多余节点和优化避障安全性。其次,针对AGV在复杂环境下动态路径规划问题,将改进A*算法与动态窗口算法进行融合,规划出一条具有实时性的最优路径。通过仿真实验结果进行分析对比,验证了改进算法的有效性与可行性,实现了路径优化。在实验前先对AGV导航系统中硬件、软件的分析及选型,对其硬件平台连接进行分析,确定出AGV导航系统方案,再对其软件平台进行选择与调试,成功搭建出工作平台。最后通过机器人操作系统进行实际实验,分别进行直线、弯道导航、静态与动态避障导航实验,AGV运行时路径规划合理,满足实际应用需求。

关键词： AGV 路径规划 A*算法动态窗口算法 ROS

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基于SLAM技术的路径规划及避障研究

自动化与仪器仪表 2023年第10期 108-112页

作者：赫磊李纪鑫孙瑜任高明陕西国防工业职业技术学院西安710300

针对自动导引小车 (AGV)在复杂环境下的路径规划与避障问题,提出一种基于SLAM地图构建和改进A-DWA的路径规划及避障方法。首先,采用RGB-D SLAM方法构建环境全局地图,从而实现自动导引小车的实时定位;最后通过改进A算法和动态窗口算法 (D... 详细信息

针对自动导引小车 (AGV)在复杂环境下的路径规划与避障问题,提出一种基于SLAM地图构建和改进A-DWA的路径规划及避障方法。首先,采用RGB-D SLAM方法构建环境全局地图,从而实现自动导引小车的实时定位;最后通过改进A算法和动态窗口算法 (DWA)对自动导引小车进行路径规划与避障。结果表明,自动导引小车通过RGB-D SLAM技术获取周围环境数据后,可实现全局地图构建,进而实现准确定位;改进A-DWA混合算法的路径规划的拐点次数为0,对比于传统Dijkstra算法、A算法和改进A算法更低,且改进A-DWA混合算法的路径规划长度为38.56 mm,运行耗时为10.75 s,均低于其他算法结果。由此说明,提出的方法可实现自动引导小车全局路径规划和自主避障,具备一定的有效性。

关键词： RGB-D SLAM A算法动态窗口算法路径规划自主避障

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多目标约束下的月面探测器路径规划研究

多目标约束下的月面探测器路径规划研究

作者：于丽平湖北工业大学

学位级别：硕士

利用移动的探测器探测月球表面是各航天大国开展月球探测的主流手段。月面探测器的移动能力是完成各种科学实验（月岩探测、月壤采样等）的保证,其路径规划的优劣会影响到探测任务的效率。在月面探测器路径规划中,坡度、粗糙度和起伏度... 详细信息

利用移动的探测器探测月球表面是各航天大国开展月球探测的主流手段。月面探测器的移动能力是完成各种科学实验（月岩探测、月壤采样等）的保证,其路径规划的优劣会影响到探测任务的效率。在月面探测器路径规划中,坡度、粗糙度和起伏度等约束将影响月面探测器的爬坡能力、多轮协调控制能力（行驶能力）和越障能力;路径的长度、平滑度和安全度等约束将决定路径的优劣。本文基于某载人航天预研项目,以月面探测器为研究对象,对月面探测器进行探测任务过程中的月面环境建模以及月面探测器路径规划方法开展研究。主要研究工作如下:（1）改进了一种基于多约束路径规划的环境建模方法。根据数字高程地图生成月面三维模型的基础上,分析月面探测器结构特点,提取月面地形信息因子,以月面环境的地形坡度、粗糙度和起伏度这三种地形信息因子作为环境约束特征从而构建了满足月面探测器行进条件的可通行代价函数,从而求解出月面探测器可通行区域并构建了相应的栅格地图。（2）在全局路径规划中运用了一种改进的蚁群算法。使用蚁群算法在上述已得的栅格地图中进行路径搜索和寻优。考虑到大部分的全局路径算法中存在只采用路径长短作为评估指标的欠缺,增加了探测器在路径行驶上的稳定性和可靠性的约束指标（即路径的平滑度和安全度）,并引入了双向并行搜索策略、自适应调节状态转移和信息素挥发因子以及对拐点的再次处理等策略,解决了原始蚁群算法容易陷入局部最优且收敛速度慢的问题。（3）在局部路径规划中采用了一种改进的动态窗口法,针对月面探测器本身结构性能和动力学性能,引入了转向角约束并改进了评价函数,使探测器能够在环境信息未知的情况下进行实时避障,提高探测器对路径选择的综合能力,并改善了探测器在行走时的速度控制能力。（4）基于改进蚁群算法和动态窗口法的集成路径规划。探测器沿着全局路径规划所得的节点按照探测器的探测范围对局部路径进行规划,以完成将全局路径规划和局部路径规划紧密结合的目的。即便出现当前环境出现变化的情况,也能使探测器成功抵达目标所在位置。本文给出了路径规划集成优化的具体实现流程,在MATLB平台设计了相应的仿真实验,验证了该集成方法的有效性。

关键词：月面探测器可通行性路径规划蚁群算法动态窗口算法

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多船会遇动态避碰路径规划算法研究

多船会遇动态避碰路径规划算法研究

作者：王奇瑶哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

船舶在海上的航行,最重要的就是安全。然而航海事故却时有发生,因此为了减少海上事故的发生,进一步增强航行的安全程度,增强船舶在海上自身行驶的安全性,减缓驾驶员的操劳以及心理担负,防止船舶碰撞事故的发生,研究海上避碰算法,建立船... 详细信息

船舶在海上的航行,最重要的就是安全。然而航海事故却时有发生,因此为了减少海上事故的发生,进一步增强航行的安全程度,增强船舶在海上自身行驶的安全性,减缓驾驶员的操劳以及心理担负,防止船舶碰撞事故的发生,研究海上避碰算法,建立船舶航行辅助决策和自主航行系统,具备非常重要的意义。近年来,针对海上单船避碰算法的研究已经取得了很大的进展,然而在多船避碰的路径规划方面目前还有很多值得研究的问题,因此本论文主要针对多船避碰路径规划进行研究与探讨。首先,介绍了一些国内外的研究现状,包括碰撞危险度、避碰算法等的研究现状。其次提出本文的章节安排和内容。随后对多船会遇的危险度进行了分析,给出两种碰撞危险度的分析方法。一种是定量分析,给出船舶运动参数的计算模型,基于DCPA、TCPA建立了碰撞危险的模型,另一种是定性分析,基于船舶安全域的危险度分析,随后对多船避碰原理进行了介绍,对多船会遇的情形进行探讨。基于海事规则,应用避碰几何算法,建立转向避碰模型,复航时机模型,并给出几种多船的避碰决策,进行分析,选择最优的一种方案。根据规则和方案确定出安全航向,并进行单船和多船避碰仿真验证。针对避碰几何算法不能解决复杂多船会遇问题的特点,介绍了改进动态窗口算法和速度障碍法,介绍了预测轨迹和行驶的安全范围,通过评价函数,选出最优的动态避碰路径规划,并进行单船和多船障碍物的仿真验证。

关键词：多船避碰危险度几何算法动态窗口算法

基于水下滑翔机的路径规划研究和可视化平台设计

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基于水下滑翔机的路径规划研究和可视化平台设计

作者：王畅天津大学

学位级别：硕士

海洋观测是一切海洋工作的基础,通过运用现代化技术和设备对海洋环境进行监督管理,可提高海洋环境信息的科学化、数字化程度。水下滑翔机作为一种新型水下航行器,能源消耗极低且隐蔽性强,可执行大范围、长时间的水下观测任务,因此为水... 详细信息

海洋观测是一切海洋工作的基础,通过运用现代化技术和设备对海洋环境进行监督管理,可提高海洋环境信息的科学化、数字化程度。水下滑翔机作为一种新型水下航行器,能源消耗极低且隐蔽性强,可执行大范围、长时间的水下观测任务,因此为水下滑翔机设计合理的观测路径可提高设备的自主能力和安全性,对加强我国海洋研究水平和国防建设等方面具有十分重要的意义。本论文首先对水下滑翔机的运动原理和运动学模型进行简要分析,为规划算法的模型选择与参数设置提供参考;其次,对实际海洋环境信息进行建模,并在此基础上从路径长度、搜索时间等角度,对A*、D*Lite两种全局路径规划算法与动态窗口局部路径规划算法进行对比分析;然后,采用参数优化和算法融合两种方式对算法进行改进,实现了水下滑翔机低能耗、高安全性的路径规划;最后,提出一种基于水下滑翔机的岸基控制平台的实现方法。论文对水下滑翔机的路径规划和可视化平台实现提供了参考,主要完成的工作和创新点如下:（1）对动态窗口算法的四种评价参数进行研究,提出了一种基于运动限制的速度权值参数优化方法和组合参数设定策略,通过考虑设备的制动性能和各评价参数间的影响,有效提高了算法应对复杂环境信息的避障能力和运行效率。此外,提出一种改进A*和动态窗口算法的全局动态路径规划算法,弥补了两种算法的不足,实现了良好的动态校正能力和全局最优性,极大提高了算法的效率和路径规划能力。（2）设计并开发了一种基于水下滑翔机的岸基控制平台。提出了一种满足多种作业环境的海图可视化方案,并开发了图形标绘和数据可视化功能。

关键词：路径规划水下滑翔机动态窗口算法 A*算法海洋数据可视化

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面向自动驾驶车辆的路径规划研究

面向自动驾驶车辆的路径规划研究

作者：明钰齐鲁工业大学

学位级别：硕士

自动驾驶车辆对未来经济发展、环境友好及生活便利具有重要的推动作用,受到世界各国的重视并发展迅速。路径规划是自动驾驶技术中的重要部分,是自动驾驶安全行驶的前提条件。目前针对自动驾驶车辆的路径规划算法面临着很多困难,如应对... 详细信息

自动驾驶车辆对未来经济发展、环境友好及生活便利具有重要的推动作用,受到世界各国的重视并发展迅速。路径规划是自动驾驶技术中的重要部分,是自动驾驶安全行驶的前提条件。目前针对自动驾驶车辆的路径规划算法面临着很多困难,如应对复杂环境的能力差,动态障碍物处理能力及鲁棒性差等,严重影响了自动驾驶车辆的行车安全及规划效率。因此面向自动驾驶车辆的路径规划研究具有重要的理论意义及研究价值。本文针对自动驾驶车辆特点,对当前常用的路径规划算法进行分析及总结,结合车辆运动学模型,分别对全局路径规划及局部路径规划算法选择合适的算法,并根据算法的不足进行改进及优化。仿真测试从规划路径长度及质量,算法计算效率及避障能力等方面进行仿真验证,实验证明本文提出的改进算法具有可行性及有效性。其中论文的主要工作如下:（1）对车辆进行运动学分析及建模,建立二维占据栅格环境模型,为下文路径规划算法的研究工作奠定基础。（2）将蚁群算法作为全局路径的规划算法,并提出改进的蚁群优化算法。针对提高传统蚁群算法的规划效率、路径规划质量及路径可行性,从蚁群算法的信息素浓度,状态转移概率及引入启发函数几个方向进行改进及优化。通过改进蚁群优化算法与传统蚁群算法的比较实验可得,改进的蚁群优化算法规划速度大大提高,路径拐角减少,路径长度有所下降。（3）在局部路径规划算法中采用动态窗口算法进行研究。针对动态窗口算法对大规模复杂障碍物规划能力低,容易陷入死锁状态的问题,提出了改进的双层路径规划算法。将蚁群优化算法规划出的全局最优路径作为动态窗口算法的路径引导,加入滚动窗格,指定航向角自适应调整方式。改进的双层路径规划算法在复杂环境中表现优异,规划时间明显缩短。（4）利用Matlab平台及其自动驾驶系统工具箱针对改进的双层路径规划算法搭建仿真环境,在道路环境中模拟车辆行驶对算法进行仿真验证,证明改进的双层路径规划算法的可行性和有效性,最后使用自动驾驶实验车进行算法的实际验证。

关键词：自动驾驶车辆路径规划算法蚁群算法动态窗口算法

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基于膜计算的移动机器人路径规划研究

基于膜计算的移动机器人路径规划研究

作者：兰世豪安徽理工大学

学位级别：硕士

高效智能的路径规划是使移动机器人能自主导航的关键。如何使移动机器人在复杂环境中快速地规划出长度更短,更切合移动机器人实际运动规律的安全路径是目前路径规划技术研究的难点与热点。同时膜计算作为具有分布式和并行计算特点的仿... 详细信息

高效智能的路径规划是使移动机器人能自主导航的关键。如何使移动机器人在复杂环境中快速地规划出长度更短,更切合移动机器人实际运动规律的安全路径是目前路径规划技术研究的难点与热点。同时膜计算作为具有分布式和并行计算特点的仿生计算模型,适用于移动机器人最优路径的求解。本文针对移动机器人在复杂环境中规划路径不合理且实时性差的问题,将膜计算与路径规划算法相结合,用于提升移动机器人规划路径效率。本文主要工作如下:（1）在阐述全局路径规划中RRT算法原理和细胞型膜系统的基础上,针对RRT算法在复杂环境中扩展随机树时没有导向性且无用拐点多,导致算法运算量大,规划速度慢且平滑度差的问题,提出基于膜计算的RRT算法。各基本膜内分别扩展随机树并增加随机树扩展时的采样点个数,利用膜间交流规则增强各基本膜内随机树扩展时的概率导向性,最后对生成路径进行修剪并利用三阶贝塞尔曲线进行平滑处理。通过利用改进前后的算法在不同环境中进行对比实验,验证了改进算法在规划路径长度平均减少6.98%和规划时间平均缩短68.19%的同时,规划路径节点数减少了68.68%。（2）在阐述局部路径规划中DWA算法和基于膜计算的粒子群算法原理的基础上,针对DWA算法在稠密障碍物中评价速度慢,不能及时产生避障所需的最优速度,导致规划路径不合理的问题,提出基于膜计算和粒子群的动态窗口算法。将动态窗口算法中的速度限制区域变为粒子群采样区域,将速度采样方式从均匀等分采样变为随机采样,利用膜间交流和膜内粒子更新机制对粒子进行评价更新,最终输出移动机器人行驶最优速度。实验证明了改进算法在复杂环境中规划路径时,降低规划步数和每步评价次数的同时,缩短7%-10%规划路径长度和8%-32%的规划时间。（3）移动机器人路径规划算法实验验证。搭载基于ROS的移动机器人,在走廊（2.1m×5.6m）中搭建两种不同实验环境并进行建图,在上述环境中对改进全局和局部路径规划算法进行真实实验验证。结果表明本文改进算法在实际移动机器人导航中部署是可行的,并在导航效果上表现出了很好的性能。图[41]表[9]参[62]

关键词：膜计算移动机器人路径规划粒子群算法动态窗口算法快速随机树算法

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复杂环境中煤矿智能机器人巡检路径动态规划

微型电脑应用 2022年第1期38卷 145-149页

作者：闫萍开滦(集团)有限责任公司河北唐山063018

在复杂开采环境下,煤矿智能机器人往往出现移动路径规划不准确、规划效率低和规划延迟等问题。因此,提出了一种巡检路径的动态规划算法,并对传统的动态窗口算法进行了改进。将智能机器人的移速限制空间转换成二维坐标空间,通过膜间通信... 详细信息

在复杂开采环境下,煤矿智能机器人往往出现移动路径规划不准确、规划效率低和规划延迟等问题。因此,提出了一种巡检路径的动态规划算法,并对传统的动态窗口算法进行了改进。将智能机器人的移速限制空间转换成二维坐标空间,通过膜间通信及内部粒子更新规则来更新粒子,使机器人以最优速度、最佳路径进行巡检。仿真结果表明,这种算法优化了机器人在路径规划过程中的速度限制范围,提高了煤矿智能机器人的工作效率。

关键词：煤矿智能机器人动态路径规划动态窗口算法复杂环境粒子群算法

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动态障碍物环境下无人艇避碰方法研究

动态障碍物环境下无人艇避碰方法研究

作者：张棹轻哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

现如今,随着人口增长及工业快速发展,陆上资源日益衰竭,人们愈发关注对海洋资源的开发和利用。无人艇作为一种海上新型智能化设备成为国内外学者研究的热点。在军用以及民用方面无人艇都有广阔的发展前景。无人艇可以自主有效地对碍航... 详细信息

现如今,随着人口增长及工业快速发展,陆上资源日益衰竭,人们愈发关注对海洋资源的开发和利用。无人艇作为一种海上新型智能化设备成为国内外学者研究的热点。在军用以及民用方面无人艇都有广阔的发展前景。无人艇可以自主有效地对碍航物进行规避是其顺利完成任务的条件。本文深入研究了在动态障碍物环境下无人艇的避碰方法,论文的主要研究内容如下:首先,研究了无人艇避碰领域的相关理论,分析了具体的避碰流程,并结合海事规则探讨了无人艇避碰过程中的约束条件以及不同会遇情况下应当采取的避碰行为。结合空间碰撞危险度和时间碰撞危险度,建立了无人艇碰撞危险度模型,来实时判断是否会与碍航物发生碰撞危险,并通过实例结果来验证碰撞危险度模型的正确性。建立了无人艇三自由度运动模型,通过直航和回转试验检验了其操纵性,为后续设计无人艇避碰控制律奠定基础。其次,针对无人艇航行区域内已知的静态障碍物以及未知的动态障碍物规划避碰设计了一种分层结构的避碰策略。在静态已知障碍物的环境中采用了改进的带有自适应动态权重的PSO算法实现最短路径的全局规划避碰路径;在带有动态障碍物的环境中采用改进的人工势场法,通过对引力函数及斥力函数的构造解决了可能出现的局部极值及GNRON现象,实现了局部动态避碰;通过分层结构的避碰策略将全局规划避碰与局部动态避碰协调结合,得到一条复杂环境下的避碰安全路径。通过不同会遇态势以及复杂环境中的避碰仿真验证了分层结构的避碰策略在各种环境中都有良好的避碰效果。最后,针对动态障碍物环境下采用的改进人工势场法没有考虑无人艇动力学约束的不足,设计了基于改进动态窗口法的反步避碰控制算法。该算法基于制导-控制框架,先采用改进的动态窗口法进行动态障碍物环境下的路径规划得到安全路径,然后针对无人艇动力学特性采用反步法进行避碰控制律设计,最终实现在复杂环境中对动态障碍物的避让。改进的动态窗口法将速度障碍集合融合到动态窗口法的速度矢量空间中,提升了动态窗口法对预测轨迹评价寻优的效率。针对无人艇欠驱动的特性,选取Lyapunov函数分别设计了反步艏向控制器和反步速度控制器,实现对避碰路径的实时跟踪。仿真结果验证了改进的动态窗口规划算法和反步避碰控制律能够在对复杂环境中的动态障碍物实现自动避让。

关键词：无人艇避碰动态窗口算法人工势场法反步法