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基于Dijkstra算法的水下机器人路径规划

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机械设计与研究 2020年第1期36卷 44-48页

作者：车建涛高方玉解玉文李端玲牛坤马士恩辽宁省电力公司大连供电公司辽宁大连116023 北京国网富达科技发展有限责任公司北京102401 北京邮电大学自动化学院北京100876

为了能够实现水下机器人ROV的作业要求,将其路径规划问题分为定深度二维最优路径和不定深度三维最优路径两部分,并分别采用多边形拟合和分层多面体拟合的方法建立障碍物模型,然后通过Dijkstra算法分别求出最优路径。本文用实例证明了该... 详细信息

为了能够实现水下机器人ROV的作业要求,将其路径规划问题分为定深度二维最优路径和不定深度三维最优路径两部分,并分别采用多边形拟合和分层多面体拟合的方法建立障碍物模型,然后通过Dijkstra算法分别求出最优路径。本文用实例证明了该方法的正确性和有效性,从而为遥控水下机器人提供了路径指引和参考,实现了水下机器人从起始无碰撞到达目标点的路径规划,并为进一步实际应用奠定了理论基础。

关键词：水下机器人(ROV) 多边形拟合分层多面体拟合最优路径规划 Dijkstra算法

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面向智能交通的路径规划相关技术研究

面向智能交通的路径规划相关技术研究

作者：王俊南京大学

学位级别：硕士

智能交通系统是在比较完善的基础设施之上,将先进的通信技术、控制技术、卫星定位技术和传感器技术有效地结合,从而解决交通中的各种问题,提高道路的安全性和使用效率。出行者信息系统是智能交通系统的一个重要内容,而路径规划系统是出... 详细信息

智能交通系统是在比较完善的基础设施之上,将先进的通信技术、控制技术、卫星定位技术和传感器技术有效地结合,从而解决交通中的各种问题,提高道路的安全性和使用效率。出行者信息系统是智能交通系统的一个重要内容,而路径规划系统是出行者信息系统中最重要的核心内容。路径规划系统根据道路交通状况为出行者和物流运输车辆提供准确的最优路径。本文基于浮动车数据处理与动态路径规划技术展开研究,论文的主要工作有： 1)城市路网模型构建：首先从GIS软件的电子地图数据源中提取城市路网拓扑结构数据,建立相应的城市路网模型,并利用合理的数据结构存储城市路网模型数据;然后为路网数据的快速查找与定位建立四叉树空间索引机制。 2) GPS数据与路网数据融合：在对传统的地图匹配方法分析的基础上,提出了一种新颖的适合大规模浮动车数据与路网数据融合的地图匹配方法。 3)城市路网平均行程时间模型构建：结合路网数据与浮动车数据,建立路网路段上的平均行程时间模型。该模型是实现面向智能交通路径规划的基础。 4)路径规划算法的分析、改进与应用：对现存常用的路径规划算法进行分析后,选择蚁群算法作为路径规划的基础算法,针对蚁群算法在实际应用中的缺陷,提出了一种改进的重叠蚁群算法,并对其在出发地点-目的地最短路径和最优路径组合优化问题上进行了实验验证,最后将其应用到实际的出行者最短路径规划系统中。

关键词：智能交通系统出行者信息系统最优路径规划重叠蚁群算法

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水面无人艇路径规划与自主避碰系统研究

水面无人艇路径规划与自主避碰系统研究

作者：陈卓武汉理工大学

学位级别：硕士

无人艇是一种具有自主航行能力的智能化水上平台,具有体积小、速度快、运动灵活、自动化程度高等特点,因而被越来越多地应用于民用领域和军事领域。随着各国对海洋资源勘探和海洋权益的日益重视,无人艇将承担越来越重要的角色。自主避... 详细信息

无人艇是一种具有自主航行能力的智能化水上平台,具有体积小、速度快、运动灵活、自动化程度高等特点,因而被越来越多地应用于民用领域和军事领域。随着各国对海洋资源勘探和海洋权益的日益重视,无人艇将承担越来越重要的角色。自主避碰系统作为无人艇实现自主导航和安全航行的关键技术之一,决定了无人艇智能化水平的高低。本文在考虑实际航行环境和无人艇运动特性的条件下,按照先全局后局部的顺序,围绕无人艇的路径规划和避碰技术展开研究。针对无人艇全局范围内的最优路径规划问题展开了研究。以FMM生成的势场作为路径规划的基本模型,在此基础上,考虑到海洋环境的复杂性和无人艇自身运动能力的局限性,对静态障碍物安全距离和无人艇航向约束进行了分析,并将其引入到势场模型中。提出了一种考虑约束的无人艇最优路径规划算法,利用仿真试验验证了算法的有效性。针对无人艇在局部范围内的动态障碍规避问题展开了研究。首先根据无人艇局部障碍的分布情况和海上避碰规则的要求,对无人艇的碰撞危险和会遇类型进行判断和分析;提出了一种基于无人艇速度窗口的局部避碰策略,通过对无人艇的有限速度空间进行离散采样来生成相应的预测轨迹,引入目标方程来对轨迹的碰撞危险度、规则一致性等进行评价,从而获得满足COLREGs规则的最优避碰速度。通过仿真试验分别对单障碍和多障碍情况下的避碰效果进行了有效验证。基于通用的无人艇平台框架,搭建了一种低成本的小型无人艇避碰系统平台;通过对全局路径规划算法与自主避碰算法的协调处理和功能整合,利用MATLAB/C++混合编程语言编写了无人艇路径规划与自主避碰综合仿真软件;基于设计的软件系统,选取典型的海事地图环境进行了无人艇自主避碰综合仿真试验,验证了本文避碰算法的可行性和优越性。

关键词：无人艇最优路径规划避碰技术软件系统仿真试验

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基于人工生命方法的仿真鱼模型研究

基于人工生命方法的仿真鱼模型研究

作者：权晓林东北师范大学

学位级别：硕士

传统的仿真生物动画的生成是通过采用“关键帧”技术实现的,这需要预先给定生物在某一时刻的位置、形状和运动状态,不仅工作量巨大而且仿真效果不理想,另外,仿真生物动画中的约束满足路径规划和多运动规律模型连续切换问题至今仍未得到... 详细信息

传统的仿真生物动画的生成是通过采用“关键帧”技术实现的,这需要预先给定生物在某一时刻的位置、形状和运动状态,不仅工作量巨大而且仿真效果不理想,另外,仿真生物动画中的约束满足路径规划和多运动规律模型连续切换问题至今仍未得到很好的解决。针对这些问题,本文提出了将虚拟现实技术与人工生命方法相结合的仿真鱼模型构建方法,它基于鱼的运动学模型,将鱼的外观模型、感知和行为模型相结合,采用遗传算法实现了满足约束的仿真鱼捕食最优路径规划问题,从而克服了传统计算机动画技术的不足,逼真的实现了仿真鱼的捕食行为仿真。本文的主要工作和创新包括:1、骨骼驱动模型能较好的表现生物躯干肢体的运动,但对柔性表面生物无法很好的表现体表变形情况;柔性物体变形模型则能很好的表现出例如仿真鱼这类表面变形比较复杂的情况,但会产生表面纹理裂纹,所以单纯的骨骼驱动模型和柔性物体变形模型都存在一定的不足之处,对此,本文提出了一种基于多刚体系统的骨骼驱动和柔性表面变形相结合的运动学建模方法,将两者取长补短,以达到更好的效果。不仅实现了仿真鱼表面柔性变形的躯体,而且还在鱼体弯曲的同时保持其结构的稳定性。2、本文对涂晓媛的计算机动画的人工生命方法等目前有关生物仿真领域中感知和行为模型进行了总结归纳,在此基础上构建了仿真鱼的感知、规划器和行为模型,并引入了仿真逼真度的概念。感知模型实现仿真鱼的感知功能,按照感知范围收集环境信息,对感知对象进行筛选和可见性判别,并通过规划器进行信息处理和规划。行为模型将仿真鱼的运动和行为进行了区分,采用分层结构,利用感知模型传递的信息,结合自身当前意图的优先级序列,产生当前行为决策并输出参数化的动作序列。3、针对目前对仿真生物约束满足的运动路径规划问题研究的不足,本文构建了仿真鱼的捕食行为约束满足最优路径规划模型,使基于这些模型和方法开发的仿真鱼行为系统能逼真表现鱼的“捕食行为”。为了提高仿真鱼捕食行为的成功率,根据生物动力学,路径规划的特点以及实现智能行为的要求,本文采用遗传算法实现了仿真鱼最优路径规划,解决了仿真鱼到达目标点位置的运动过程中,遇到障碍物及保持最佳姿态的路径规划问题。

关键词：运动学模型刚体模型仿真鱼人工生命最优路径规划

基于公铁多式联运模式的乘客最优出行方案规划研究

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基于公铁多式联运模式的乘客最优出行方案规划研究

作者：黄博丽华南理工大学

学位级别：硕士

近年来,铁路物流多式联运受到越来越多的关注和研究,客运多式联运仍处于起步阶段。尽管国家高铁基础设施发展迅速,并形成了高铁线路组成的主要交通网络,但高铁无法覆盖的地区仍不少,特别是三线和四线城市,高铁运输后仍然严重依赖公路运... 详细信息

近年来,铁路物流多式联运受到越来越多的关注和研究,客运多式联运仍处于起步阶段。尽管国家高铁基础设施发展迅速,并形成了高铁线路组成的主要交通网络,但高铁无法覆盖的地区仍不少,特别是三线和四线城市,高铁运输后仍然严重依赖公路运输。铁路和公路一直都是分开管制与运营,乘客需要耗费时间与资源进行路径规划,而且公共交通的能力也往往难以充分覆盖各区域。本文以基于高铁为主干运输的公铁多式联运为研究对象,针对旅客的起讫点,通过建模的方式,得出联运最优路径方案。首先从安全性、经济性、快速性、方便性四个服务特性为目标,各自建立数学模型,将各数学模型组合,建立以运输费用、时间价值折合费用为元素的广义费用函数模型。在此基础上,以列车发车时间和列车承载容量为约束条件,赋予目标权重组合,建立“起讫”点最优客运联运规划模型,然后基于公铁多式联运实际情况改进Dijkstra算法,对模型求解。最后通过算例进行实验,验证模型和算法的有效性。本文最终目的以期通过公铁客运联运旅程服务规划,设计合理的联运出行方案,为实现公铁客运联运奠定理论基础。主要研究工作如下:（1）公铁客运多式联运最优路径规划模型的构建。第一,采用广义费用函数将多目标规划转化为单目标规划模型。乘客在选择交通工具过程中需要考虑的因素不再局限于成本,广义费用函数通过赋予单因素目标不同的权重,将多目标函数转化为单目标规划模型;第二,解决经济性、快速性、便捷性、安全性量纲不一致的问题。快速性指标和便捷性指标均可通过时间价值系数V（T）可实现价值转化,实现与经济性指标量纲一致;安全性指标为相对值,则可通过相乘或相除的方式解决量纲问题。（2）Dijkstra算法改进。针对Dijkstra算法退出机制不完善,研究修改了算法停止条件;针对多个顶点可同时获得p标号,修改了永久性p标号的标号规则;针对多式联运的特殊性,即公铁多式联运的有向带权交通图中包含的要素除了节点、方向、权之外,还包含交通工具类型k,因此进行标号时要标记交通工具类型。研究进一步采用“北京-海口”的出行案例验证了该模型与算法的有效性与实践性,赋予目标不同的权重组合进行试验分析,求解结果与客运实际情况相符,说明模型与算法具有较好的实践参考价值。

关键词：多式联运最优路径规划改进Dijkstra算法广义费用函数

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智能交通终端中定位导航子系统算法研究

智能交通终端中定位导航子系统算法研究

作者：张婷婷长安大学

学位级别：硕士

近几年,随着经济的快速发展,小汽车逐渐走入寻常百姓家,在带来便利的同时也产生了日益严峻的交通问题。针对上述现状,国内外广大学者提出并开始研究智能交通系统(ITS,Intelligent Transportation System),但由于城市交通道路的复杂性,... 详细信息

近几年,随着经济的快速发展,小汽车逐渐走入寻常百姓家,在带来便利的同时也产生了日益严峻的交通问题。针对上述现状,国内外广大学者提出并开始研究智能交通系统(ITS,Intelligent Transportation System),但由于城市交通道路的复杂性,部分技术的不完善性,仍然存在比较严重的交通拥堵现象。本文以改善交通问题为目的,设计研究了一种车载智能交通综合终端,为驾驶员提供实时的交通信息服务,并进行行车、停车引导,以便有效的缓解交通拥堵,同时为后期实现自动驾驶和车联网打好基础。本文对其中核心部分的定位导航子系统中关键算法进行重点研究,并提出一种改进的地图匹配技术和最优路径规划算法。地图匹配技术是定位导航子系统中的一项关键技术,本文在已有算法的基础上提出了一种基于路网拓扑结构的自适应地图匹配算法,采用改进的最大阈值缓冲区法确定误差区域,针对不同的路段采用不同的方法,综合考虑了车辆的方向、距离、道路连通性和道路相似性四个权值参数计算候选路段的综合匹配度,并对特殊路段,如并行路段、相交路段和城市隧道路段介绍相应的匹配方法。通过MATLAB实验仿真分析,算法精度得到有效的提高。定位导航子系统的另一项关键技术是最优路径规划算法,本文在分析传统Dijkstra算法的基本实现思想及其优缺点后,分别从数据存储结构和算法结构两个方面提出改进优化。本文设计了一种新的数据表方法,在数据表中同时储存道路网络图的起点和终点以及两点之间的权值,在此基础上采用一种倒推的思想进行最短路径搜索,并通过层次结构分析模型计算得出路段综合权值。通过本文设计的最短路径搜索仿真系统的测试分析,改进算法的效率明显提高。

关键词：智能交通综合终端定位导航子系统地图匹配最优路径规划

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动态环境下的送餐机器人远程控制系统研究

动态环境下的送餐机器人远程控制系统研究

作者：管文龙武汉理工大学

学位级别：硕士

机器人远程控制技术是一项重要的研究领域,为了有效管理送餐机器人以及达到送餐机器人适应酒店动态环境的要求,提高其安全性和送餐的高效性,本文设计了一种基于云平台和Android客户端的送餐机器人远程控制系统。该系统不仅可以在广域网... 详细信息

机器人远程控制技术是一项重要的研究领域,为了有效管理送餐机器人以及达到送餐机器人适应酒店动态环境的要求,提高其安全性和送餐的高效性,本文设计了一种基于云平台和Android客户端的送餐机器人远程控制系统。该系统不仅可以在广域网下实现Android客户端远程控制送餐机器人和实时显示其运行数据,而且还能协助送餐机器人在酒店动态环境中自主规划最优送餐路径。首先本文根据送餐机器人远程控制系统的需求分析,明确了送餐机器人远程控制系统由底层控制系统、云服务器和Android客户端三部分组成;阐述了本文研究重点是远程控制系统对送餐机器人在酒店动态环境下的最优路径规划的作用。确定了不再将最短路径作为送餐机器人最优路径的唯一评判标准,而是将最短距离、临时禁行区域以及入住酒店客人情况综合动态评定。其次在只含有布尔信息的栅格地图基础上建立安全代价地图,基于人工势场法思想将影响送餐机器人最优路径的因素构建出代价模型,将多种代价模型进行线性融合,生成动态代价地图,使用改进的A*算法在动态代价地图上进行最优路径规划,用MATLAB软件对其进行验证,并与传统的路径规划算法对比,结果显示,该算法能够让送餐机器人自动避开危险区域和客人密度大的区域行驶,并与客人保持安全距离。然后开发Android客户端软件,实现了基于Fengmap开发制作酒店室内三维地图,使用映射的方法进行坐标变换,在酒店地图上实现了实时显示送餐机器人运行轨迹;除此之外Android客户端还设计了送餐机器人使用权限管理、远程监控界面显示、远程启动和停止以及异常消息通知提示。最后搭建了试验平台进行测试。完成了远程控制系统各部分通信的搭建,试验结果显示Android客户端各部分功能模块以及云服务器都能正常运行,能够实现远程控制,并且测试出远程控制系统有较好的实时性和稳定性。本文研究对机器人在复杂环境中安全高效行驶提供参考方案,具有一定的实际应用价值。

关键词：送餐机器人最优路径规划代价地图 A*算法 Android 远程控制

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基于无迹卡尔曼滤波的无源交叉定位方法研究

基于无迹卡尔曼滤波的无源交叉定位方法研究

作者：胡保林长安大学

学位级别：硕士

随着科学技术不断发展,传统的有源定位技术已无法满足现代化目标定位的需求。无源定位技术以其隐蔽性高、作用距离远等优点,受到了专家学者的广泛关注。其中,交叉定位凭借观测站数量少、定位速度快等特点被普遍应用。但随着定位场景日... 详细信息

随着科学技术不断发展,传统的有源定位技术已无法满足现代化目标定位的需求。无源定位技术以其隐蔽性高、作用距离远等优点,受到了专家学者的广泛关注。其中,交叉定位凭借观测站数量少、定位速度快等特点被普遍应用。但随着定位场景日益复杂,如何在低成本、多场景前提下实现对目标的高效定位有待进一步研究。本文针对静态单目标、动态单目标、动态多目标的定位问题,依靠较少数目观测站,提出了基于无迹卡尔曼滤波的无源交叉定位方法,实现了对不同运动状态目标的准确定位。本文的主要研究内容如下:1.针对静态单目标的定位问题,设计了一种基于无迹卡尔曼滤波的静态单目标交叉定位算法。首先,建立了移动单基站静态单目标交叉定位模型。进而,分析了移动单基站定位系统的可观测性,并提出了移动基站的最优路径规划。最后,结合相对运动概念,将移动基站对静态单目标定位等效为固定单基站对匀速运动目标的定位,设计了一种基于无迹卡尔曼滤波的静态单目标交叉定位算法,并进行了仿真与实验,验证算法可行性。2.针对动态单目标的定位问题,设计了一种基于无迹卡尔曼滤波的动态单目标交叉定位算法。首先,通过分析双基站交叉定位原理,建立了移动双基站动态单目标交叉定位模型。进而,研究了利用双基站进行定位时,双基站测量数据的时间校准方法。最后,设计了一种基于无迹卡尔曼滤波的动态单目标交叉定位算法。仿真与实验结果表明了该方法在动态单目标交叉定位中的可行性和有效性。3.针对动态多目标的定位问题,设计了一种基于无迹卡尔曼滤波的动态多目标交叉定位算法。首先,建立了移动双基站动态多目标交叉定位模型。进而,针对传统目标关联算法存在的波门重叠导致误跟踪问题,提出了一种基于最近邻法的目标关联优化算法。最后,设计了基于无迹卡尔曼滤波的多目标定位跟踪算法。仿真与实验结果表明了该方法在动态多目标交叉定位中的可行性和有效性。

关键词：无源交叉定位无迹卡尔曼滤波最优路径规划目标关联优化算法

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嵌入式车载GIS导航系统的设计与实现

嵌入式车载GIS导航系统的设计与实现

作者：张雪燕浙江大学

学位级别：硕士

随着中国私人汽车的普及，车载导航系统越来越被人们所关注。尽管目前车载导航系统在中国的使用还有限，但其巨大的市场潜力已经引起各方的关注。目前市场上出现的导航系统基本上是豪华轿车的配置，对于中低档轿车来说还是一个奢侈品。... 详细信息

随着中国私人汽车的普及，车载导航系统越来越被人们所关注。尽管目前车载导航系统在中国的使用还有限，但其巨大的市场潜力已经引起各方的关注。目前市场上出现的导航系统基本上是豪华轿车的配置，对于中低档轿车来说还是一个奢侈品。调查表明2002年轿车市场份额比例为：10万元以下轿车占40％，10至30万元之间的轿车占40％，30万元以上的轿车大约占20％。这表明中低档轿车占了市场份额的50％以上，因此研究价格相对较低的导航系统非常有意义。嵌入式车载导航系统由此应运而生。它是以嵌入式操作系统为平台，全球定位系统(Global Positioning System，GPS)与地理信息系统(Geographic Information System，GIS)相结合的一个软硬件混合的系统，是移动用户导航、定位、地图查询和空间数据管理的一种理想解决方案。本文的研究主要涉及计算机科学领域的移动计算、嵌入式开发(主要是软件开发)、计算机图形图像和测绘学中的地理信息系统原理以及数据组织方法、数字地图可视化、GPS定位与导航、最优路径规划等技术。本文的主要难点和创新点是如何在无数据库支持下组织和访问地图数据以及如何在有限的硬件资源下实现最优路径规划。本文参考ESRI的作法把地图文件分为数据文件和对应的索引文件，一个文件相当于数据库中的一个表，一个文件夹相当于一个数据库，这种做法大大加快了访问速度。在最优路径规划方面，本文改进了Dijkstra算法，减少了搜索范围和存储空间，取得了良好的效果。本文研究的嵌入式车载导航系统以linux操作系统和Micro Windows0.89 GUI为平台，使用c++开发的面向对象的系统。论文首先提出了研究背景以及嵌入式地理信息系统的研究现状、技术背景、特点及应用，为嵌入式车载导航系统的开发和研究提供技术基础：其次提出了EVNS的逻辑框架设计、具体功能没计与实现，主要研究了电子地图的设计和最优路径规划问题：最后给出了实验的结果—“SmartNavigation 1.0”。

关键词：嵌入式地理信息系统 Micro Windows GPS 嵌入式电子地图地图匹配最优路径规划 Dijkstra算法