[发明专利]一种仿蛇机器人自适应路径跟踪方法

说明书

本发明公开了一种仿蛇机器人自适应路径跟踪方法，本发明的主要机理是以整体姿态框架与膨胀障碍物的位置关系代替传统的仿蛇机器人与障碍物间的位置关系，筛选规划路径点、平滑处理规划路径，获取路径导航点，利用设计的自适应路径跟踪控制器实现方法机器人对路径的跟踪。此路径规划与自适应跟踪方法由仿蛇机器人整体姿态框架生成、障碍物边缘膨胀化处理、路径规划与平滑、自适应路径跟踪控制器设计四部分构成，有效提高了仿蛇机器人多障碍复杂环境下的适应能力，对实现仿蛇机器人在复杂环境下的自主化、智能化运动有着重要意义。

技术领域

本发明涉及机器人研究与工程领域，具体是指一种复杂环境下仿蛇机器人路径规划与自适应跟踪方法。

背景技术

随着科技的进步，机器人被广泛地应用于各个领域来替代人类完成繁杂的任务，军事侦察行动、科学探索行动、工业检修及灾后救援都不乏机器人的身影。与生物蛇的多冗余物理结构特性相似，仿蛇机器人具有多自由度和灵活的运动方式，能够实现鲁棒和稳定的多种运动方式，如蜿蜒运动、直线运动、伸缩运动及侧向运动，能够在复杂环境中高效运动，受到研究人员的关注。

仿蛇机器人依靠关节的节律摆动，与地面之间产生各向异性摩擦力，推动机体向前运动。由于其特殊的运动机理，导致运动的过程会产生侧向偏移，无法始终保持直线运动。当仿蛇机器人处于平坦开阔的地面环境中，这种运动机理和侧向偏移的运动特点不会影响任务执行。然而，当机器人处于障碍较多、可通行路径狭窄的地形时，按照原有的步态控制方法，机器人不能精确的沿着道路中间移动，容易碰撞到道路两侧的障碍物。目前仿蛇机器人能够在简单的地面环境中较好的运动，但是在复杂的地形中，仿蛇机器人的多关节、多自由度为完全避障的路径规划以及精确的路径跟踪带来了艰巨的困难。路径规划是机器人研究领域内的重要分支，其目的是在一定约束条件下使机器人在多障碍物环境中生成一条通向目标点的无障碍物路径。研究人员提出多种路径规划算法，如人工势场法、遗传算法及蚁群算法等，然而由于仿蛇机器人运动的姿态多变性，导致这些算法不能很好的直接应用于仿蛇机器人。路径跟踪同样是机器人研究领域内的重要环节，其目的是控制机器人从某处出发，沿着给定的路径到达目标点。由于其关节摆动导致运动过程中产生方向偏移，使其仿蛇机器人难以精准的跟踪给定参考路径。路径规划与跟踪是实现仿蛇机器人自主导航的关键技术，研究适用于仿蛇机器人的效率高、实时性好的路径规划方法和准确度高、稳定性好的路径跟踪算法对于提升仿蛇机器人自主化和智能化具有重要意义。

针对复杂环境下的地形特点，路径规划方法应该具备高效性和实时性，且适用于仿蛇机器人多关节、多自由度机构特点和节律摆动运动机理。路径跟踪策略也应该具备不过分偏离航线的准确性及不产生剧烈摆动行为的稳定性。然而目前尚未有充分满足以上要求的仿蛇机器人路径规划和跟踪方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种仿蛇机器人在复杂环境下的路径规划与自适应路径跟踪方法，以解决目前已有方法不适用于仿蛇机器人在复杂环境下运动的难题，即规划路径实用性差、路径跟踪不精准等。具体措施是将改进的RRT算法应用于仿蛇机器人的路径规划并设计新的自适应路径跟踪控制策略。首先，确定路径规划目标点，根据仿蛇机器人姿态框架对障碍物进行膨胀化处理，建立机器人和障碍物之间的碰撞约束，利用路径规划算法生成可行路径点。其次，针对仿蛇机器人无法大幅变向的运动特点，对路径点进行筛选、平滑处理。在路径跟踪过程中，将仿蛇机器人视为一个整体并以可变矩形框架表示，以可变矩形与膨胀化后的障碍物之间的碰撞关系调整仿蛇机器人的步态参数。仿蛇机器人的路径规划与自适应跟踪算法，通过路径规划及平滑克服了现有算法实用性差、不稳定的缺陷，通过设计相应的自适应路径跟踪控制器能够实现仿蛇机器人的自主导航，极大提升仿蛇机器人的环境下适应能力，使其能够执行灾后搜救、军事侦察、工业检修及等任务。

本发明除了提出路径规划以外，还设计了相应的自适应路径跟踪控制方法。自适应路径跟踪控制器中的前向距离影响着机器人收敛到期望路径的速率，因此本发明设计了该参数的自适应调整函数，提升路径跟踪的精确性。