[发明专利]基于网络撕裂法的移动机器人路径规划方法在审
申请号: | 201910244831.6 | 申请日: | 2019-03-28 |
公开(公告)号: | CN110196588A | 公开(公告)日: | 2019-09-03 |
发明(设计)人: | 张鹏超;李海婷 | 申请(专利权)人: | 陕西理工大学 |
主分类号: | G05D1/02 | 分类号: | G05D1/02 |
代理公司: | 西安弘理专利事务所 61214 | 代理人: | 谈耀文 |
地址: | 723001 陕*** | 国省代码: | 陕西;61 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 移动机器人 障碍物 撕裂 路径规划 网络 最优路径规划 基本路线 灵活调整 使用寿命 数学拟合 网络模型 行驶过程 移动路径 目标点 起始点 实施性 子网络 最小权 连线 绕过 行驶 修正 清晰 | ||
1.基于网络撕裂法的移动机器人路径规划方法,其特征在于,以起始点到目标点的连线作为行驶的基本路线,利用网络撕裂法建立障碍物网络模型,并撕裂出子网络,通过数学拟合分别计算移动机器人的路径和时间的最小权值,得出移动机器人到达并绕过下一障碍物的最优路径规划,对基本路线进行调整,具体包括以下步骤:
步骤1)找出障碍物的几何中心,估算障碍物的面积S,并将障碍物面积S作为类电阻Z,S=Z;
步骤2)以各障碍物作为网络节点,根据全局障碍物及其位置建立障碍物网络模型,将障碍物所在位置及其面积大小总权值类比为电压,网络节点之间的距离类比为电阻,节点之间的有向依赖关系类比为电流,采用网络撕裂法将障碍物网络模型撕裂出子网络;
步骤3)计算撕裂后的节点类电压Ua,拟合类电阻Z与节点类电压Ua的关系式;
步骤4)根据类电阻Z与节点类电压Ua的关系式计算移动机器人绕过障碍物走过的弧长l0,继而得出移动机器人到达并绕过下一障碍物的最优路径和完成最优路径所需时间,移动机器人按照规划的最优路径对基本路线进行调整,由起始点行驶至目标点。
2.根据权利要求1所述的基于网络撕裂法的移动机器人路径规划方法,其特征在于,所述步骤1)中估算障碍物的面积S具体为,以障碍物的几何中心作为原点,以该障碍物的几何中心到最远边界点的距离作为半径,做该障碍物的外接圆,外接圆的面积即为该障碍物的面积S。
3.根据权利要求1所述的基于网络撕裂法的移动机器人路径规划方法,其特征在于,所述步骤2)中采用网络撕裂法将障碍物网络模型撕裂出子网络具体为,选定距离移动机器人移动起始点最近的点为参考点,从边界点处撕裂出子网络,子网络所含节点总数不少于障碍物网络模型节点总数的一半,子网络由障碍物网络模型被撕断的支路组成,障碍物网络模型除去子网络的部分为保留网络。
4.根据权利要求1所述的基于网络撕裂法的移动机器人路径规划方法,其特征在于,所述步骤3)具体按照以下步骤实施:
步骤3.1)根据KCL基尔霍夫电流定律和KVL基尔霍夫电压定律列出障碍物网络模型撕裂前的节点电压方程,为
YnUn=Jn (1)
式(1)中,Jn为n个节点的注入电流矩阵,Yn为n个节点的导纳矩阵,Un为n个节点的节点电压矩阵,n是障碍物网络模型中的节点总数,n为不为0的自然数;
步骤3.2)根据电路的叠加定理、KCL基尔霍夫电流定律和KVL基尔霍夫电压定律列出障碍物网络模型撕裂后的节点电压方程,为
YaUa=Ja+Jn (2)
式(2)中,下标a表示与子网络具有公共节点的保留网络部分,该部分为保留网络G,Ya为保留网络G的节点类导纳,Ya为保留网络G的分块对角阵,Ja是撕断支路所引起的注入保留网络G节点的单位电流,Ja的方向为从移动起始点指向目标点,Ua=Un;
步骤3.3)设被撕断支路的电流为单位电流Is,则被撕断支路与保留网络G的电流关系为,
Ja=CasIs (3)
式(3)中,下标s表示被撕断的支路,Cas是关联矩阵A的负子矩阵,关联矩阵A为保留网络G所有节点分别与所有被撕断支路之间的有向线段构成的关联矩阵,关联矩阵A的列被撕断支路,关联矩阵A的行对应保留网络G的节点,关联矩阵A中数值分别为被撕断支路指向网络G的节点为-1、被撕断支路离开网络G的节点为1、被撕断支路与网络G的节点不相关为0,负子矩阵Cas的列对应被撕断支路,负子矩阵Cas的行对应保留网络G的节点;
步骤3.4)设被撕断支路为纯电阻支路,则
ZsIs=Us (4)
式(4)中,Zs表示被撕断支路阻抗矩阵,Zs为被撕断支路对角矩阵,Us表示被撕断支路电压,
被撕断支路与保留网络G的电压关系为,
US=-CasTUa (5);
步骤3.5)将式(3)带入式(2)得,
YaUa-CasIs=Jn (6)
将式(4)带入式(5)得,
CasTUa+ZsIs=0 (7)
将(6)式带入(7)式得,
Is=(Zs+CasTYa-1Cas)CasTYa-1Jn (8)
设将(8)式带入(6)式,计算Ua为,
将撕裂后的节点类电压Ua作为机器人路径途径的等压圆,即移动机器人碰到障碍物并避障的减速预警值;
步骤3.6)根据障碍物网络模型中所有节点的类电阻z和其对应的节点类电压Ua,通过最小二乘法拟合出其函数关系式为,
z=f(ua) (10)。
5.根据权利要求1所述的基于网络撕裂法的移动机器人路径规划方法,其特征在于,所述步骤4)具体按照以下步骤实施:
设质点中心到几何图形边界最远距离为r,则
S=πr2 (11)
设机器人穿障碍区的区域面积为R,则
式(12)中,θ为将要绕行的障碍物外接圆的弦所对应的圆心角,该障碍物外接圆的弦为起始点到目标点连线穿过将要绕行的障碍物外接圆的线段;
计算的值,若则移动机器人左转,若则移动机器人右转,若则移动机器人左转或右转任选一种,若则移动机器人按原直线行驶无需转动;
移动机器人将要绕行的障碍物走过的弧长l0为,
移动机器人将要绕行的障碍物走过弧长l0的时间为,
式(14)中,v0为机器人的绕行速度,
移动机器人走过无障碍区的直线距离为l1,走过无障碍区直线距离l1的时间为,
式(15)中,v1为机器人直线运动的速度,
则移动机器人到达并绕过下一障碍物的最优路径为,
L=l1+l0 (16),
完成该最优路径所需时间为,
T=t1+t0 (17),
移动机器人从起始点出发,沿起始点到目标点的连线行驶,在减速预警的等压圆区域沿圆弧以绕行速度v0行驶,驶出后减速预警的等压圆区域后以直线运动速度v1直线前行,依照此行驶方式直至到达目标点。
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