[发明专利]基于二分法求解的热传导拓扑优化移动机器人路径规划方法

说明书

本发明公开一种基于二分法求解的热传导拓扑优化移动机器人路径规划方法，将二维环境中的全局路径规划问题映射为散热拓扑结构问题，建立所述散热拓扑结构热传导的有限元模型；根据所述散热拓扑结构热传导的有限元模型和生长模拟计算理论，以散热弱度J为评价函数，得到散热拓扑结构中冷却通道的单步生长优化模型；根据单步生长模型以及每个生长步中使整个热传导域散热弱度最小的原则，构建冷却通道最佳生长方向；定义机器人运动的8个搜索方向，构建相应方向的冷却通道材料库；在有限元框架下采用二分法快速求解，获得机器人最终移动路径；可以采用二分法求解，能够明显的提升计算效率，规划的路径效率更高，路径更加稳定。

技术领域

本发明属于移动机器人路径规划领域，具体涉及基于二分法求解的热传导拓扑优化移动机器人路径规划方法。

背景技术

路径规划是实现移动机器人自主运动的关键技术之一，如何从起点到终点规划出一条符合性能要求的路径是当前移动机器人路径规划的研究热点问题。现有的路径规划方法如RRT算法有着广泛的应用，但由于其随机搜索的特性，在复杂环境下收敛速度较慢且路径效果较差。受稳态下传热路径的启发，中国专利CN110207709A-基于参数化水平集的移动机器人路径规划方法采用基于热传导拓扑优化的方法，该方法能够解决局部死锁的问题，但涉及到了大规模计算，求解时间较长，而且计算不稳定，在有些情况下容易碰到障碍物。由此可见，虽然有关机器人路径规划的研究取得了长足的进展，但也存在处理复杂环境问题能力弱、计算复杂等问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于二分法求解的热传导拓扑优化移动机器人路径规划方法，该算法考虑到拓扑优化问题是一个非线性优化问题，求解效率低且结果不稳定，将移动机器人的路径规划问题转换成稳态下设计最佳的散热拓扑结构问题，基于生长仿生的热传导拓扑优化思想，提出一种基于二分法搜索的移动机器人路径规划方法，以此提升移动机器人路径规划算法的实时性和计算效率，使其能够适应不同复杂环境的路径规划，具有较好的搜索和计算性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于二分法求解的热传导拓扑优化移动机器人路径规划方法，包括以下步骤：

将二维环境中的全局路径规划问题映射为散热拓扑结构问题，建立所述散热拓扑结构热传导的有限元模型；

根据所述散热拓扑结构热传导的有限元模型和生长模拟计算理论，以散热弱度J为评价函数，得到散热拓扑结构中冷却通道的单步生长优化模型；

设定移动机器人运动的搜索方向，在热分析域中，根据所述搜索方向构建冷却通道材料的有限元模型，根据所述冷却通道材料的有限元模型构建冷却通道材料库；基于最优散热性能的原则，采用二分法求解所述单步生长优化模型，在冷却通道材料库中求解出最优搜索方向θ^*；

将求解得到θ^*对应的冷却通道添加到热分析域中，并将所述冷却通道的末端点作为新的冷却通道迭代起始点，当新的冷却通道末端距离热沉的距离小于冷却通道的长度时停止生长，即到达端点，将每一步的端点相连得到规划路径。

将二维环境中的全局路径规划问题映射为散热拓扑结构问题具体实现如下：

机器人的位形空间C包括起始点C_S、目标点C_G、障碍物C_O和自由空间C_F四个部分：

C＝C_S+C_G+C_F+C_O

根据以下对应关系将位形空间C映射到热分析域H中：

H＝H_S+H_G+H_F+H_O