[发明专利]一种利用二阶梯度信息改善人工物理避障轨迹平滑度的方法

说明书

本发明公开了一种利用二阶梯度信息改善人工物理避障轨迹平滑度的方法，属于机器人技术领域。本发明通过参数的动态调节，将机器人的避障路径由一阶梯度下降方向朝二阶高斯方向旋转，从而提高机器人避障路径平滑度的方法。利用保守力场的二阶梯度信息来调整机器人的移动方向，同时通过对参数的动态调整来进一步改善原有算法的性能。与原有人工物理方法相比，本发明所提方法得到的机器人避障路径更加平滑、通过障碍区域的速度更快。该方法是解决狭窄空间下机器人移动路径导引与障碍规避的有效技术途径，也可应用于空中飞行器航路规划、无人驾驶车辆导引等技术领域。

技术领域

本发明提出了一种利用二阶梯度信息改善人工物理避障轨迹平滑度的方法，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人在自主移动过程中，会遇到各种障碍或者不可行区域，因而需要具备实时紧急避障的能力。人工物理方法是求解机器人避障问题的一种有效的方法，它不需构造复杂的势场函数，直接对机器人构造虚拟物理力的作用，因而更加简单，并且具有清晰的物理意义。

考虑地面机器人在二维平面上自由，其动态特性由如下微分方程组描述：

式中p＝(x,y)为机器人的位置坐标，v＝(v_x,v_y)为机器人的速度矢量，加速度控制输入u＝(a_x,a_y)表示机器人的控制输入，起到控制机器人移动方向的作用。

机器人在朝着目标移动过程中，具有障碍躲避和目标搜索两类基本行为。其中，目标搜索行为由机器人受到目标点施加的吸引力提供，用于引导机器人朝指定位置移动。在人工物理方法中，采用牛顿万用引力定律计算目标施加给机器人的吸引力，如下

式中，||p_robot-p_goal||为机器人到目标点的距离，代表了从机器人位置指向目标点的单位向量，G_goal为目标点的引力常数。

机器人的障碍躲避行为由障碍物施加给机器人的排斥力提供，用于引导机器人调整运动方向以躲开障碍物，同样采用牛顿万用引力定律的形式计算机器人的虚拟排斥力，如下

式中，||p_robot-p_obs||为机器人到障碍物的距离，用表示从障碍物指向机器人的单位向量，R_rep为排斥力的作用范围，当且仅当机器人与障碍物靠近到一定程度时，才会受到障碍物的排斥作用。

另外，对机器人引入了速率限制环节||v||≤v_max。同时，机器人也受到虚拟摩擦力的作用，有

f＝-f·v (4)

综上，人工物理方法作用在机器人上的控制作用由三部分构成，即

u＝F_att+∑F_rep+f (5)

但是，在现有人工物理方法中，机器人受到的作用力沿着相应万有引力场的负梯度方向。这种方法存在的缺陷在于，当机器人靠近障碍物或者通过狭长通道时，机器人会在作用力的引导下左右摇摆、产生严重的振荡。这一缺陷会导致机器人作出大量没有必要的机动动作，显著增加任务执行的时间以及能量消耗。