[发明专利]基于非线性优化方法实现的移动基座轨迹规划器

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域。

背景技术

通常，移动基座在工业、港口、行星表面探测、核废料区清理、采矿等方面的应用，其任务规划为期望的路径点{(x_k，y_k)}。随着科学技术的发展,移动基座的应用越来越广泛,对移动基座完成任务的复杂程度要求也越来越高,比如在航天器轨道模拟中的应用，对其任务规划为速度依赖的路径点{(x_k，y_k，v_k)}。由于传统的应用中，对速度没有需求，速度由规划算法间接决定。但对于新的应用，由于速度由任务规划给定，必须直接对速度进行规划。由于传统的轨迹规划算法没有对速度进行直接规划，已无法满足需求。主要存在以下问题：

1，直线段加抛物线轨迹规划方法：在路径点之间通过直线相连,并在连接点处通过曲线过渡。生成的轨迹无法满足曲率连续，但由于转向机构无法瞬间改变曲率，这样会给轨迹跟踪带来很大的误差。

2，采用多项式进行轨迹规划的方法，由于其多项式阶次会随路径点个数的增加而增加，无法满足需求。

3，采用样条进行轨迹规划的方法，由于无法直接对速度进行规划或者规划过程中优化变量过多，无法满足复杂任务对实时性的需求。

目前为了解决移动基座轨迹规划所遇到的困难，许多专家已经提出了许多成型的方法：

中国专利公开号CNIO1508113A，公开日为2014年3月19日，专利申请号为200910071524.9。专利申请名称为“一种基于余弦二阶的机器人轨迹规划方法“。该专利首先给定基于余弦的二阶轨迹曲线的位置、速度、加速度以及加速度的导数的数学模型,给定两个期望点的位置和速度。然后,将边界条件的值代入所述数学模型中,列出方程组并求解出模型的参数。最后,根据两个期望点间的位置和速度的关系及加速度和加速度的导数的幅值来限制加速度的导数的阀值。确定最终的规划轨迹。但该方法仅针对起点和终点进行轨迹规划，无法满足多路径点的需求。

中国专利公开号CNIO3645725A，公开日为2009年8月19日，专利申请号为201310745783.1，专利申请名称为“一种机器人示教轨迹规划方法和系统”。该专利描述了一种机器人示教轨迹规划方法和系统,涉及工业过程中的机器人示教领域,其包括:在对机器人进行示教过程中,采集示教轨迹的空间关键点；根据示教轨迹的空间关键点,用多结点样条插值函数以及最小二乘拟合方法,得到示教轨迹曲线。但该方法未考虑执行机构存在的约束，对复杂任务，无法满足需求。

中国专利公开号申请公布号CNIO2794767A，公开日为2012年11月28日，专利申请号为201210319744.0，专利申请名称为“视觉引导的机器人关节空间B样条轨迹规划方法”。本专利涉及一种视觉引导的机器人关节空间B样条轨迹规划方法,其包括如下步骤:第一步、在立体支架内安装二自由度机器人,在前端安装工业相机,传送带的运动方向垂直于二自由度机器人的运动平面；第二步、在工业相机获取到传送带上第一个轨迹点后,并在二自由度机器人运动到第一个轨迹点的时间内,根据得到若干关节时间节点序列,以构造B样条曲线；第三步、采用增加节点向量和控制顶点的方式来延长上述构造的B样条曲线,以使得B样条曲线经过增加的关节位置点；第四步、采用德布尔递推算法计算B样条曲线上的位置点,以驱动二自由度机器人运动。该专利无法对速度进行规划，无法满足特定任务对速度的需求。

发明内容

本发明的目的是针对移动基座在任务规划过程中对速度提出的需求，采用非线性优化的方法设计了满足需求的基于非线性优化方法实现的移动基座轨迹规划器。

本发明采用三次b样条曲线对轨迹进行参数化，且对整个运动时间进行线性缩放以满足对速度、加速度的约束，然后，通过非线性优化求解满足约束的轨迹；

设任务输出为路径点{(x_k，y_k，v_k)}：

①确定速度v的方向：将所有路径点用线段连接起来，各点速度分别在x轴和y轴方向投影分解为(v_x，v_v)，这样就将路径点(x，y，v)变换为(x，y，v_x，v_y)；