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基于CNN-SLAM及优化a-star算法的四旋翼无人机自主避障技术研究

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基于CNN-SLAM及优化A-Star算法的四旋翼无人机自主避障技术研究

作者：梁亚东华南理工大学

学位级别：硕士

随着科技的迅速发展,无人机已广泛地进入我们社会生活当中的各个领域,如植物保护、抢险救灾、影视航拍、快递物流的运输和配送以及森林火灾的预防和救援等。它在保障我们正常生活的同时,带来了许多便利,因此无人机的存在具有极其重要的... 详细信息

随着科技的迅速发展,无人机已广泛地进入我们社会生活当中的各个领域,如植物保护、抢险救灾、影视航拍、快递物流的运输和配送以及森林火灾的预防和救援等。它在保障我们正常生活的同时,带来了许多便利,因此无人机的存在具有极其重要的现实意义和应用价值。然而,无人机的应用领域日益广泛,场景越来越复杂,对无人机的安全性和智能自主性提出了更高的要求,因此展开对无人机技术的研究显得尤为必要。无人机技术的发展,主要指无人机飞行的自主避障技术,包括障碍物识别技术和路径规划技术。目前的避障技术存在障碍物识别性能不佳且路径规划效果差等问题,本文主要针对四旋翼无人机的自主避障技术做出优化,来提高障碍物检测以及路径规划的精度和效率,主要工作内容如下:首先,主要进行四旋翼无人机系统的分析与设计。展开介绍了系统各组成结构,针对四旋翼无人机的运动情况建立数学模型,并通过对四旋翼无人机的三维物理模型进行多种飞行姿态的受力分析,详细论述了其飞行控制原理,给出了实验方案设计。接着,主要提出了一种基于深度学习结合SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)技术的局部环境感知策略。基于现有相关避障技术的一些理论基础,将卷积神经网络与ORB-SLAM2技术相结合,分别进行基于语义分割和基于Yolo模型的障碍物检测;在SLAM建图的过程中,将图像的语义信息添加到地图中,得到语义SLAM,有利于SLAM进程效率的提升,并利用ORB-SLAM2进行地图构建和相机定位。实验结果表明,该方法可以满足无人机对于障碍物检测的实时性和准确性的要求。最后,着重对传统a-star算法原理进行了深刻的讨论分析,主要针对A-star寻路算法提出了几种优化方案,并研究了双向a-star算法的搜索原理。在代价函数中引入一种威胁代价,提出了一种子节点安全性检测策略,以确保无人机飞行的绝对安全。同时,针对传统a-star算法的准确度和速度无法达到平衡的问题,提出并设计了一种基于环境信息和位置信息的动态衡量式启发权重,实现了精度和效率的统一,并且具有较好的适应性。另外,对整体路径提出了节点和拐角优化策略,以及平滑优化处理,提升了效率并且降低了无人机拐弯时的能耗。利用MATLAB仿真实验对所提的每一步优化方案的有效性进行了验证。

关键词：四旋翼无人机障碍物识别路径规划语义SLAM a-star算法

移动机器人导航规划的双向平滑a-star算法

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中国科学：技术科学 2021年第4期51卷 459-468页

作者：岳高峰张萌沈超管晓宏西安交通大学网络空间安全学院西安710049 西安交通大学智能网络与网络安全教育部重点实验室西安710049

针对主流移动机器人导航中蒙特卡罗定位(MCL)算法误差大、传统A-star规划路径实时性差且所得路线为折线的问题,提出了一种基于双向平滑a-star算法的路径规划导航策略.首先提出多传感器融合蒙特卡罗定位的位姿估计定位算法;其次通过优化A... 详细信息

针对主流移动机器人导航中蒙特卡罗定位(MCL)算法误差大、传统A-star规划路径实时性差且所得路线为折线的问题,提出了一种基于双向平滑a-star算法的路径规划导航策略.首先提出多传感器融合蒙特卡罗定位的位姿估计定位算法;其次通过优化a-star算法的代价函数,使其整体搜索方向变为双向从而提高算法实时性;最后采取Bézier曲线对所规划路径进行平滑优化,解决a-star算法规划路径折线多、转弯角度过小而无法满足实际物理约束的问题.仿真实验结果展示,相比传统A-star轨迹规划算法,本文算法在路径长度和时间方面分别减少12.1%,37.2%,平均安全距离和路径平滑度分别提升35.2%,69.9%;同时在保证的定位精度下所测试的实际实验证明了本文导航规划算法的正确性和可行性.

关键词：自主定位导航 MS-MCL定位 a-star算法双向搜索 Bézier曲线

基于改进a-star算法的无人机航迹规划算法研究

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兵工学报 2008年第7期29卷 788-792页

作者：李季孙秀霞空军工程大学工程学院陕西西安710038

针对传统a-star算法在无人机航迹规划问题应用中的局限性,提出了一种结合飞行器简化运动学方程的改进a-star算法,并将该算法应用于解决无人机在未知危险环境中的威胁规避问题;研究了综合考虑各路径代价影响因素情形下的航迹规划方法。... 详细信息

针对传统a-star算法在无人机航迹规划问题应用中的局限性,提出了一种结合飞行器简化运动学方程的改进a-star算法,并将该算法应用于解决无人机在未知危险环境中的威胁规避问题;研究了综合考虑各路径代价影响因素情形下的航迹规划方法。最后对无人机参考航迹规划的数字仿真证明了改进算法的有效性。

关键词：运筹学无人机航迹规划威胁规避 a-star算法路径代价

融合A-star与DWA双优化算法的自动引导车路径规划

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科学技术与工程 2023年第30期23卷 12994-13001页

作者：董翼宁曹景胜李刚辽宁工业大学汽车与交通工程学院锦州121001

自动引导车的应用越来越广泛,为了达到自动引导车在路径规划中要达到全局最优,实时避障的要求,提出了一种优化a-star算法与优化DWA算法相融合的自动引导车路径规划方案。a-star算法能找到全局最优路径,根据a-star算法进行优化,引入自适... 详细信息

自动引导车的应用越来越广泛,为了达到自动引导车在路径规划中要达到全局最优,实时避障的要求,提出了一种优化a-star算法与优化DWA算法相融合的自动引导车路径规划方案。a-star算法能找到全局最优路径,根据a-star算法进行优化,引入自适应启发函数,并进行路径关键点选取,删除冗余路径点。优化后的a-star算法解决了传统算法规划效率低,路径不平滑的问题。动态障碍物躲避采用DWA算法,优化评价函数,提升了规划效率。仿真结果表明,融合优化后的a-star算法与优化后的DWA算法,减小了搜索范围,提高了路径规划效率且能实现避障的效果。该融合算法相较其他融合算法在路径规划效率上有很大提升,最终实现全局最优路径规划和局部动态实时避障。

关键词：自动引导车路径规划 a-star算法 DWA算法

基于a-star算法与DWA算法的小型农用运输车智能避障系统研究

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农业技术与装备 2023年第11期 34-36,40页

作者：安燕霞黄凯晋中信息学院山西太谷030800

已有的小型农用运输车智能化程度不高,在矮化密植果园难以实现自主导航及避障,也可能对果树或他人造成伤害。从小型农用运输车路径规划与避障系统方面进行研究,在小型农用运输车的基础上加上路径规划与自动避障模块,根据指令在路径中检... 详细信息

已有的小型农用运输车智能化程度不高,在矮化密植果园难以实现自主导航及避障,也可能对果树或他人造成伤害。从小型农用运输车路径规划与避障系统方面进行研究,在小型农用运输车的基础上加上路径规划与自动避障模块,根据指令在路径中检测环境中障碍物,做出相应的避障动作,完成路径规划并实现最优策略,到达目的地,帮助使用者在矮化密植果园更安全、快捷运输。

关键词：小型农用车 a-star算法 DWA算法路径规划避障

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室内环境下改进的混合路径规划算法

西安工业大学学报 2024年第2期44卷 232-243页

作者：徐淑萍杨定哲闫索遥杨帆西安工业大学计算机科学与工程学院西安710021

为了解决室内非结构化复杂环境下的机器人在路径规划时常常出现目标点不可达、规划过程产生折角偏移、规划过程无法及时规避动态障碍物等问题,提出一种改进的混合室内路径规划算法。该算法将改进的全局路径规划与改进的局部路径规划算... 详细信息

为了解决室内非结构化复杂环境下的机器人在路径规划时常常出现目标点不可达、规划过程产生折角偏移、规划过程无法及时规避动态障碍物等问题,提出一种改进的混合室内路径规划算法。该算法将改进的全局路径规划与改进的局部路径规划算法相融合。首先,优化传统a-star算法的启发因子,减少搜索范围和节点,再通过角平分线切点法对传统a-star算法进行平滑处理。其次,综合路径与环境信息,采用改进的人工势场算法进行局部路径规划,通过修正斥力场参数来解决目标点不可达问题,同时构造了动态的势力场函数,使其具备决解决动态障碍物的能力。最后,对混合算法进行实际环境的路径规划实验,比起传统的混合算法文中提出的混合算法在路径规划长度上减少11.4%,运行时间减少11.1%,少经过34个冗余节点,结果表明该融合算法可以有效解决室内非结构化复杂的路径规划问题。

关键词：移动机器人路径规划技术 a-star算法人工势场算法自主避障计算机控制

一种具有必经点约束的非结构化环境路径规划方法

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空天防御 2024年第1期7卷 71-80页

作者：董德金范云锋蔡云泽上海交通大学自动化系上海200240 系统控制与信息处理教育部重点实验室上海200240 上海机电工程研究所上海201109

针对非结构化环境下具有必经点约束的路径规划问题,设计一种两阶段求解方法,并对每一阶段算法做出改进。第1阶段,对典型非结构化环境进行地图建模,针对a-star算法存在的接触障碍物、路径曲折的问题,提出新的障碍物安全距离方法并设计折... 详细信息

针对非结构化环境下具有必经点约束的路径规划问题,设计一种两阶段求解方法,并对每一阶段算法做出改进。第1阶段,对典型非结构化环境进行地图建模,针对a-star算法存在的接触障碍物、路径曲折的问题,提出新的障碍物安全距离方法并设计折线优化策略平滑路径。第2阶段,详细阐述必经点问题的求解流程,建模为旅行商变体问题并将多种优化算法拓展至必经点场景。由于现有方法难以高效求解必经点问题,提出一种改进遗传粒子群(IGPSO)算法,包括分层随机初始化、改进交叉方式以及变异算子。最后进行对比实验验证,结果表明改进算法在最优解成功率、运行时间和迭代次数方面具备明显优势。

关键词：路径规划必经点 a-star算法遗传粒子群算法

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面向碳排放的集装箱码头多AGV路径优化

起重运输机械 2024年第5期 31-36页

作者：杨林娜曹小华武汉理工大学交通与物流工程学院武汉430063

随着集装箱码头AGV数量的增多,在作业过程中出现的大量路径冲突从而导致碳排放严重增加。文中针对路径冲突导致的碳排放量增加的问题,考虑到AGV冲突等因素,建立了以最小化AGV碳排放量为目标的模型,基于传统的a-star算法设计了改进A-Sta... 详细信息

随着集装箱码头AGV数量的增多,在作业过程中出现的大量路径冲突从而导致碳排放严重增加。文中针对路径冲突导致的碳排放量增加的问题,考虑到AGV冲突等因素,建立了以最小化AGV碳排放量为目标的模型,基于传统的a-star算法设计了改进a-star算法,对新增道路使用信息进行存储,并在寻路时考虑路段的使用情况。对某集装箱码头AGV路网进行仿真实验,通过不同冲突策略验证算法的可行性和有效性,结果表明在路径改进算法可以有效地对路径进行优化,使多AGV在作业过程中的碳排放量减小了10%以上。

关键词：集装箱码头 a-star算法路径规划碳排放

基于改进a-star算法的路径规划在海战兵棋推演中的应用

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兵工学报 2021年

作者：张韬项祺郑婉文孙宇祥周献中南京大学工程管理学院南京大学智能装备新技术研究中心

为满足海战兵棋推演中多目标路径规划的需求，解决传统a-star算法无法在兵棋推演中直接运用的问题，提出一种可供类似兵棋推演环境参考的基于改进a-star算法的路径规划方法。一方面，构建了一种映射机制，实现了a-star算法在兵棋推演环... 详细信息

为满足海战兵棋推演中多目标路径规划的需求，解决传统a-star算法无法在兵棋推演中直接运用的问题，提出一种可供类似兵棋推演环境参考的基于改进a-star算法的路径规划方法。一方面，构建了一种映射机制，实现了a-star算法在兵棋推演环境中的初步运用。另一方面，构建了一种既能满足多目标需求，又能保证生成最优路径的估价函数。为了验证算法有效性，在实际推演平台上进行了相关实验。结果表明，改进a-star算法可较好统筹多个决策目标之间的关系，有效提升路径方案的质量，解决使用a-star算法在海战兵棋推演中进行最优路径规划的实际问题。

关键词：海战兵棋推演路径规划 a-star算法