[发明专利]一种基于改进人工势场算法的移动机器人路径规划方法

说明书

本发明请求保护一种基于改进人工势场算法的移动机器人路径规划方法。具体步骤为：首先，根据移动机器人到目标点的距离构造出引力势场函数，根据移动机器人到目标点的距离以及到障碍物的距离构造出斥力势场函数；然后，分别对引力势场函数以及斥力势场函数求负梯度得到移动机器人受到的吸引力和排斥力；最后，移动机器人在吸引力和排斥力共同作用下避开障碍物向目标点前进，并且中途会生成强制干扰力使机器人逃离局部极小值点影响范围。在室内多障碍物环境中的实验结果表明：相较于其他方法，本方法路径规划的成功率较高，满足实际应用需求。

技术领域

本发明属于移动机器人自主导航领域，特别是一种基于改进人工势场算法的移动机器人路径规划方法。

背景技术

路径规划是移动机器人自主导航过程中的重要步骤，指的是：移动机器人按照实际情况规划出一条从起始点到目标点的安全无碰撞路径。移动机器人在工作环境中进行路径规划需要达到以下三个标准：(1)所规划的路径能够连接起始点和目标点；(2)所规划的路径必须有效避开环境中的障碍物；(3)所规划的路径在长度，平滑度等方面满足要求。

因为标准人工势场法原理简单、易于实现、计算量小、实时性强，所以其在移动机器人路径规划领域的应用较为广泛。然而，当使用标准人工势场法在室内多障碍物环境中进行路径规划时，经常出现目标不可达问题和陷入局部极小值点问题。目标不可达问题是指：当目标点在障碍物影响范围内时，移动机器人在目标点周围徘徊而不停留在目标点位置。陷入局部极小值点问题是指：当移动机器人在某个非目标点位置受力平衡时，机器人会停止运动而不继续向目标点前进。这两个问题的出现会对移动机器人的整个路径规划过程造成严重影响，并最终导致路径规划操作失败。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种适用于室内多障碍物环境的基于改进人工势场法的移动机器人路径规划方法。包括以下步骤：

S1，根据移动机器人到目标点的距离构造出引力势场函数。

S2，根据移动机器人到目标点的距离以及到障碍物的距离构造出斥力势场函数。

S3，基于移动机器人当前位置对引力势场函数求负梯度得到移动机器人当前受到的吸引力。

S4，基于移动机器人当前位置对斥力势场函数求负梯度得到移动机器人当前受到的排斥力。

S5，利用步骤S3和S4中计算得到的吸引力和排斥力引导移动机器人向目标点前进，包括：

若当前吸引力和当前排斥力的合力为0并且移动机器人当前位置就是目标点，则路径规划完成；

若当前吸引力和当前排斥力的合力为0并且移动机器人当前位置不是目标点，则移动机器人陷入局部极小值点，生成一个强制干扰力使移动机器人逃离该位置影响范围到达新的位置，之后继续执行路径规划操作；

若当前吸引力和当前排斥力的合力不为0，则移动机器人在当前吸引力和当前排斥力共同作用下运动一个步长到达新的位置，之后继续执行步骤S3。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明针对使用标准人工势场法在室内多障碍物环境中进行路径规划时经常出现的目标不可达和陷入局部极小值点问题，提出一种基于改进人工势场法的移动机器人路径规划方法。该方法将受到反正切函数处理的移动机器人到目标点的距离引入到标准人工势场法的斥力势场函数中来解决目标不可达问题。其中，反正切函数存在的意义是：减少由于引入移动机器人到目标点的距离而给斥力势场函数带来的形变，进而确保所规划路径的质量不下降。此外，该方法通过以吸引力为基础构造出的强制干扰力打破受力平衡来解决陷入局部极小值点而无法逃离的问题。本发明引入受反正切函数处理的移动机器人到目标点距离以及由吸引力生成的强制干扰力，两个因素协同作用，可以提高移动机器人在室内多障碍物环境中路径规划的成功率，同时也使得移动机器人所规划的路径长度较短。

附图说明