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改进D^(*)算法的未知场景机器人运动规划

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导航定位学报 2024年第3期12卷 145-153页

作者：鞠慕涵刘万科胡捷谷宇鹏武汉大学测绘学院湖北武汉430079

随着机器人技术不断发展,自主移动机器人的应用已拓展到复杂未知环境中。针对传统运动规划算法在复杂未知环境中存在搜索盲目、计算效率低、难获得安全轨迹等问题,本文提出了一种基于改进D^(*)算法的运动规划方法。其中,前端路径规划使... 详细信息

随着机器人技术不断发展,自主移动机器人的应用已拓展到复杂未知环境中。针对传统运动规划算法在复杂未知环境中存在搜索盲目、计算效率低、难获得安全轨迹等问题,本文提出了一种基于改进D^(*)算法的运动规划方法。其中,前端路径规划使用融合跳跃点搜索(jps)思想的D^(*)算法,后端轨迹优化基于B样条构建二次规划问题。利用矩阵实验室(Matlab)与机器人操作系统(ROS)的仿真平台进行实验,结果表明,改进D^(*)算法在30×30的栅格地图中,相比传统D^(*)算法、FocussedD^(*)、有向D^(*)算法搜索耗时减少0.297、0.269、0.191s;动态障碍物存在时,可使移动机器人快速、安全运动至目标点。

关键词：移动机器人运动规划 D^(*)算法 jps算法三次B样条

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基于jps改进的移动机器人路径规划算法

计算机应用研究 2022年第7期39卷 1985-1991页

作者：蔡佳成白克强李旭春黄正良刘知贵西南科技大学信息工程学院四川绵阳621010

针对跳点搜索(jump point search,jps)路径规划算法在大尺度复杂场景下存在内存资源消耗较大、路径结果平滑度较低且路径过于靠近障碍物等问题,提出融合安全势场等级函数与优化Floyd算法的改进jps算法。首先建立了安全等级函数对栅格地... 详细信息

针对跳点搜索(jump point search,jps)路径规划算法在大尺度复杂场景下存在内存资源消耗较大、路径结果平滑度较低且路径过于靠近障碍物等问题,提出融合安全势场等级函数与优化Floyd算法的改进jps算法。首先建立了安全等级函数对栅格地图中的栅格状态进行重新赋值构建安全等级地图;然后改进了启发式函数,引入目标与主方向两项偏置函数项结合安全等级函数项,进一步减少对称性搜索带来的时间消耗,改善了所规划路径的安全程度;其次通过添加二次平滑算法流程优化了Floyd算法;最后结合B-spline样条插值法,进一步提高了改进算法所规划路径的平滑程度。仿真实验验证了改进优化算法在内存资源消耗、路径长度、路径平滑程度以及路径安全程度都有显著提升。

关键词：移动机器人路径规划 jps算法 Floyd算法 B-spline

结合Bresenham与jps的静态栅格地图的路径搜索算法

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计算机与数字工程 2023年第12期51卷 2846-2851页

作者：张遥马丽丽西安工程大学计算机科学学院西安710000

路径规划问题一直是人工智能及游戏的研究重点,现在使用较为广泛的启发式算法是A^(*)算法,其缺点在于动态扩展节点过多,会占用大量计算机内存,影响寻路速率。通过改良提出jps跳点算法,减少内存的消耗,该算法存在跳点数量多,计算冗余等... 详细信息

路径规划问题一直是人工智能及游戏的研究重点,现在使用较为广泛的启发式算法是A^(*)算法,其缺点在于动态扩展节点过多,会占用大量计算机内存,影响寻路速率。通过改良提出jps跳点算法,减少内存的消耗,该算法存在跳点数量多,计算冗余等问题。论文将Bresenham算法和jps跳点算法结合,在使用jps跳点算法之前,首先用Bresenham算法求出起点和终点之间的直线路径,并记录该直线路径中碰到障碍物节点的前一节点,其次用jps跳点算法求出两个点的路径,最后将路径加以拼接,以达到减少跳点的数量和离线搜索的节点数量。仿真结果表明该算法可以有效减少跳点数量的生成,减少离线搜索的节点数量。

关键词： Bresenham算法 jps算法 A^(*)算法路径规划

物流机器人调度系统及其双向同步跳点搜索算法设计

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仪器仪表学报 2023年第7期44卷 121-132页

作者：李艳生张静琦刘彦瑜张毅杨美美重庆邮电大学先进制造工程学院重庆400065 重庆重邮信科通信技术有限公司重庆400065

针对物流机器人在物料配送中对路径规划的安全性、实时性与高效性要求逐步提升的问题,本文提出了一种物流机器人调度系统及其双向同步跳点搜索算法。首先,分析物流机器人调度系统的功能需求并设计总体实现方案。其次,采用正六边形栅格... 详细信息

针对物流机器人在物料配送中对路径规划的安全性、实时性与高效性要求逐步提升的问题,本文提出了一种物流机器人调度系统及其双向同步跳点搜索算法。首先,分析物流机器人调度系统的功能需求并设计总体实现方案。其次,采用正六边形栅格地图取代传统栅格地图,并在此基础上提出改进的双向同步跳点搜索算法(jps)。该算法调整了传统jps算法的节点拓展规则以适应新地图,并引入灰狼优化算法指导扩展的相对方向,确保两侧搜索能够相遇。通过仿真测试对比所提算法与传统算法,所提算法比正四边形栅格图传统jps算法快34%,比正六边形栅格图传统jps算法快23%,结果表明所提算法的规划效率与安全性更高。此外,实物实验显示本文提出的双向同步jps算法相较对比方法路径长度更优,在调度系统监控下物流机器人行走更加安全。

关键词：路径规划物流机器人调度系统 jps算法灰狼优化算法

基于改进A~*和APF算法的沿海船舶航线规划研究

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基于改进A~*和APF算法的沿海船舶航线规划研究

作者：张凤阁大连海事大学

学位级别：硕士

随着航运业的快速发展,沿海水域成为海上交通运输的高频区域。航线规划是保证沿海船舶安全航行的基础和前提,在沿海船舶的航行过程中发挥着关键作用。然而,现有的沿海船舶航线规划方法规划的船舶航线存在离障碍区域近、拐点过多等问题... 详细信息

随着航运业的快速发展,沿海水域成为海上交通运输的高频区域。航线规划是保证沿海船舶安全航行的基础和前提,在沿海船舶的航行过程中发挥着关键作用。然而,现有的沿海船舶航线规划方法规划的船舶航线存在离障碍区域近、拐点过多等问题导致难以应用到沿海船舶的实际航行中。因此,如何使规划的航线满足安全性、经济性和时效性等方面的要求是目前沿海船舶航线规划领域亟待解决的一个关键问题。本文在对沿海船舶航线规划的研究现状进行分析总结的基础上,对沿海船舶的全局航线规划方法和局部航线规划方法进行了深入研究。首先,提出了一种基于改进A*算法的全局航线规划方法。该方法一方面在A*算法中加入安全距离约束对A*算法的节点筛选方法进行改进,使得规划的全局航线始终与障碍区域保持一定的安全距离,保障了全局航线的安全性;另一方面使用LOS视线算法改进A*算法的结束条件以去除A*算法的部分冗余遍历,提高了全局航线规划的效率;其次,提出了一种基于改进APF算法的局部航线规划方法。该方法针对APF算法在陷入局部极小值时会导致船舶航线规划任务失败的问题,使用jps算法的跳点搜索规则对APF算法进行改进,使改进后的APF算法在进行航线规划时能够脱离局部极小值的约束成功到达目标点,提高了局部航线规划的成功率。然后,对基于全局航线规划方法和局部航线规划方法得到的船舶航线使用道格拉斯-普克算法进行优化,去除航线中的冗余拐点,提高了船舶航线的经济性。最后,为验证本文方法的有效性,基于仿真实验环境对本文方法进行实验验证并与其他常用的航线规划算法进行对比。实验结果表明,本文方法在时效性和规划航线的安全性和经济性等方面具有明显优势。

关键词：船舶航线规划 A~*算法 APF算法 jps算法道格拉斯-普克算法

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面向AGV的混合路径规划算法研究

面向AGV的混合路径规划算法研究

作者：李美凡西安科技大学

学位级别：硕士

路径规划是AGV实现自主导航的关键技术。路径规划在实际应用中环境通常是未知或者部分已知的,单一的路径规划算法并不能应对各种环境,规划出比较理想的路径。对此,针对整体全局环境已知但可能随时出现临时障碍物的室内复杂环境,本文提... 详细信息

路径规划是AGV实现自主导航的关键技术。路径规划在实际应用中环境通常是未知或者部分已知的,单一的路径规划算法并不能应对各种环境,规划出比较理想的路径。对此,针对整体全局环境已知但可能随时出现临时障碍物的室内复杂环境,本文提出一种结合全局路径规划与局部路径规划的混合路径规划算法。主要研究内容如下:通过对几种常用的环境建模算法进行对比分析,选择了简单高效、易于实现的栅格法作为本文的环境建模算法。利用平面几何知识求解得到合适的栅格单元大小,对不规则障碍物进行膨胀处理,从而提高了整个算法的运行效率,使环境建模算法得到进一步优化,为后面章节路径规划的实现提供了基础。研究全局路径规划jps算法的原理及缺陷,利用Floyd算法对jps算法进行改进,解决了传统算法中转折点过多、路径不平滑等问题;通过采用平滑的曲线来代替尖锐点对拐点进行优化,使规划出来的路径更适合AGV的实际运动规律。针对AGV行驶过程中出现的临时障碍物,采用人工势场法进行局部避障。通过对道路边界障碍化,障碍物密集区域的障碍物进行连锁处理,解决了传统人工势场法中存在的障碍物陷阱问题;通过在斥力势场函数中引入AGV和目标点的距离因数,解决了传统人工势场法中存在的目标不可达问题;采用在合适位置增加虚拟障碍物的方法,解决了传统人工势场法中的局部极小值问题,使AGV能够成功避开临时障碍物成功到达目标点。针对AGV在实际应用中的整体全局环境己知但可能随时出现临时障碍物的室内环境,提出了一种改进的混合路径规划算法。利用栅格法建立环境地图模型,利用改进的jps算法进行全局路径规划,得到一条最优初始路径,同时利用车载传感器继续扫描周围环境信息,利用改进的人工势场法进行局部避障,完成避障后回归初始最优路径继续朝目标点行驶。搭建AGV平台,配置ROS以及上位机环境,在室内环境进行AGV混合路径规划实验,验证改进算法的可行性。

关键词：路径规划自动导引车 jps算法人工势场法混合路径规划算法

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基于神经网络的移动机器人轨迹预测控制

兵器装备工程学报 2022年第10期43卷 52-59页

作者：江一鸣吴坷李佳洛孟范伟东北大学秦皇岛分校河北秦皇岛066004

针对移动机器人在未知离散障碍物环境下感知、导航控制的问题,设计了一种基于神经网络与模型预测的控制系统。在感知阶段,采用传统视觉算法提取十二维度离散障碍物特征,并将其传入神经网络以控制机器人避障感知;在规划阶段,基于处理后... 详细信息

针对移动机器人在未知离散障碍物环境下感知、导航控制的问题,设计了一种基于神经网络与模型预测的控制系统。在感知阶段,采用传统视觉算法提取十二维度离散障碍物特征,并将其传入神经网络以控制机器人避障感知;在规划阶段,基于处理后的感知地图设计jps全局规划器和MPC局部规划器,实现机器人自主导航。对该系统进行Simulink/CarSim联合仿真,并搭建移动机器人在室外环境测试。结果表明,仿真及测试过程中机器人感知信息准确可靠,导航轨迹效果稳定。

关键词：自动驾驶神经网络控制模型预测控制(MPC) 路径规划 jps算法

低空多障碍物环境下的无人机路径规划系统研究

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低空多障碍物环境下的无人机路径规划系统研究

作者：王晓莉中国民航大学

学位级别：硕士

旋翼无人机具有轻小,便携,可悬停等优点,可以在复杂环境中全自主地完成飞行任务,因此近年来成为民用领域研究热潮。而民用领域飞行环境多为低空环境,障碍物纷繁复杂,不利于无人机全自主飞行。针对以上问题,本文以四旋翼无人机为实验平台... 详细信息

旋翼无人机具有轻小,便携,可悬停等优点,可以在复杂环境中全自主地完成飞行任务,因此近年来成为民用领域研究热潮。而民用领域飞行环境多为低空环境,障碍物纷繁复杂,不利于无人机全自主飞行。针对以上问题,本文以四旋翼无人机为实验平台,重点研究了基于视觉传感器的无人机同步定位与建图算法和基于启发式角度搜索策略的路径规划算法。首先,本文提出了低空环境下的无人机路径规划系统的总体方案,基于牛顿-欧拉法构建了无人机的运动学模型、动力学模以及基于RGB-D相机构建了相机传感器模型。其次,针对低空环境下GNSS信号弱甚至拒止,无人机缺乏定位信息与环境信息的问题,研究了基于RGB-D相机的视觉SLAM算法。采用ORB算法进行特征点提取与匹配,并将相机的视觉信息和IMU数据进行紧耦合,实现无人机的精准定位和运动状态估计。同时,采用基于词袋法的回环检测和BA优化算法进行后端优化,优化相机位姿和地图,实现无人机的精准定位与地图构建。再次,针对低空环境下传统算法对复杂环境缺乏适应性,规划出的路径不能保证无人机飞行安全等问题,提出一种基于启发式角度搜索策略的HA-jps路径规划算法。该算法引入了视觉相机的视场角作为启发因子,使无人机可以提前感知到未知障碍物信息,提高飞行过程的实时性和安全性。并采用三次B样条曲线对路径进行优化,提高路径的平滑性。最后,本文基于ROS和Gazebo仿真环境设计了仿真实验,并搭建了无人机路径规划系统实物飞行实验平台,然后分别在室内和室外场景下进行了实物飞行实验。实验结果表示:本文设计的无人机路径规划系统在低空多障碍物环境下可以实时、安全的完成飞行任务,验证了系统的可行性与实用性。

关键词：旋翼无人机路径规划同步定位与建图 jps算法启发式角度搜索策略

四旋翼无人机三维空间避障规划与抗扰轨迹跟踪研究

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四旋翼无人机三维空间避障规划与抗扰轨迹跟踪研究

作者：李海重庆大学

学位级别：硕士

四旋翼无人机因具有高机动性、结构轻便、低成本等优点,吸引了大批学者、科技公司、政府的关注,在许多研究人员、学者前赴后继的共同努力下,四旋翼无人机已经广泛的应用于电力巡检、农业植保、灾后救援、物流运输、娱乐航拍、军事侦察... 详细信息

四旋翼无人机因具有高机动性、结构轻便、低成本等优点,吸引了大批学者、科技公司、政府的关注,在许多研究人员、学者前赴后继的共同努力下,四旋翼无人机已经广泛的应用于电力巡检、农业植保、灾后救援、物流运输、娱乐航拍、军事侦察等领域。无人机的自主飞行能力是其能否进一步扩展应用领域的关键,而性能卓越的路径规划方案和精准的轨迹跟踪能力又是其核心所在。因此,针对这两个问题,本文主要开展以下研究:首先,构建了无人机系统的非线性模型。针对X型结构的四旋翼无人机分析了其飞行控制原理,并建立了机体坐标系和地球固连坐标系。通过Newton-Euler定律,推导了无人机的位置运动方程和姿态运动方程。为了解决了四旋翼的欠驱动问题,引入了虚拟控制量。其次,为了获得高效安全的前端路径,研究了基于图搜索的算法。首先引入了jps算法并对其做了详细的分析。为了将其推广应用于三维空间环境,对jps算法的剪枝、跳跃规则进行了修改。经过仿真对比分析,证明了所提算法的有效性。接着,为了平滑优化前端路径,研究了基于Minimum Snap的轨迹优化算法。路径规划算法所规划出的路径并不具备动力学特性,不能直接用于四旋翼无人机的实际飞行,需要做平滑优化处理。分析了无人机在轨迹输出空间所满足的微分平坦性质,并以此为基础在多项式轨迹的优化中使用Minimum Snap算法对航迹片段添加约束保证飞行过程中位置、速度、加速度的连续性,再基于飞行走廊来保证安全性。通过二维空间和三维空间下的仿真验证了所设计方法良好的平滑优化性能。最后,引入了非线性扩张观测器,并以此为基础结合反演滑模控制设计了四旋翼无人机的轨迹跟踪控制器。四旋翼无人机系统被分为位置回路和姿态回路六个子系统。通过虚拟控制量反解俯仰、滚转通道的期望信号和实际控制量。为了让跟踪期望信号的过程更平稳,设计了跟踪微分器来平滑信号。实际情况中,无人机飞行时会受到内外扰动的影响,因此设计了非线性扩张状态观测器来补偿干扰,并通过李雅普诺夫方法证明了其稳定性。为了提升系统的鲁棒性和快速收敛能力,设计了反演滑模控制器。通过仿真分析,验证了所提方案的有效性。

关键词：四旋翼无人机 jps算法 Minimum Snap算法非线性扩张状态观测器反演滑模控制器