[发明专利]一种基于改进人工势场法的机器人路径规划方法

说明书

本发明公开了一种基于改进人工势场法的机器人路径规划方法，通过在传统斥力场函数基础上引入距离因子，根据是否越过障碍物分阶段改进斥力场函数以及在局部极小值点施加一个额外附加力，克服了传统人工势场法会陷入局部极小值点而导致路径不可达的问题，提高了机器人的工作效率和避障安全性。

技术领域

本发明属于路径规划领域，特别涉及了一种机器人路径规划方法。

背景技术

人工势场法是路径规划的一种比较常用的方法。这种方法假设机器人在一种虚拟力场下运动。包括引力场和斥力场，其中目标点对物体产生引力，引导物体朝向其运动。障碍物对物体产生斥力，避免物体与之发生碰撞。物体在路径上每一点所受的合力等于这一点所有斥力和引力的和。所以，据其原理，算法存在的缺陷如下：

(a)当物体离目标点比较远时，引力将变的特别大，在斥力相对较小甚至可以忽略的情况下，物体在路径上可能会碰到障碍物；

(b)当目标点附近有障碍物时，斥力将非常大，引力相对较小，物体很难到达目标点；

(c)存在某个点，引力和斥力刚好大小相等，方向相反，则物体容易陷入局部最优解或震荡。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种基于改进人工势场法的机器人路径规划方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于改进人工势场法的机器人路径规划方法，包括以下步骤：

(1)引入距离因子a，构造改进的斥力势场函数：

上式中，U_rep(X)为改进的斥力势场函数，X为当前机器人位置，X_o为障碍物位置，X_g为目标点位置，ρ(X-X_O)表示机器人到障碍物的距离，ρ^a(X-X_g)表示机器人到目标点的距离，K和ρ₁为设定的参数；

(2)设置障碍物安全距离，根据机器人是否越过障碍物重新调整改进的斥力势场函数，当机器人越过障碍物后，在障碍物安全距离以外将不受障碍物的斥力作用；

(3)对陷入局部极小值点的机器人进行受力分析，将机器人看作质点，过该点做障碍物安全距离所成区域的切线，施加附加力使机器人沿此切线方向继续前进。

进一步地，根据改进的斥力势场函数负梯度方向，得到障碍物对机器人的斥力：

上式中，F_rep(X)为障碍物对机器人的斥力，表示负梯度算子,F_a为沿机器人和障碍物的连线从障碍物指向机器人的斥力，F_b为沿机器人和目标点的连线从机器人指向目标点的斥力。

进一步地：

进一步地，在步骤(2)中，设机器人的可视角度θ∈(-θ₁,θ₁)，其中-θ₁为视野负范围，θ₁为视野正范围，当斥力反方向与引力方向的夹角α∈(-θ₁,θ₁)时，认为机器人已越过障碍物，否则认为机器人未越过障碍物。

进一步地，当机器人越过障碍物时，步骤(1)构造的斥力势场函数改进为：

上式中，ρ₂为障碍物安全距离，且ρ₂＜ρ₁；