[发明专利]一种移动机器人避障路径规划方法

说明书

本发明属于机器人及智能车辆的局部导航领域，具体技术方案为：一种移动机器人避障路径规划方法，具体步骤如下：一、基于移动机器人车载外部传感器激光雷达获取的工作环境信息构建栅格环境地图；二、通过改进引力和斥力场函数计算机器人受到的引力、引力与水平方向的夹角、斥力、斥力与水平方向的夹角；三、计算机器人所受到的合力、合力与水平方向的夹角；四、计算并保存机器人的下一步位置；五、机器人由当前位置运动至下一位置，机器人每运行一步增加相应步长；六、判断机器人是否达到指定目标点，若达到目标点，结束；若未达到目标地，返回步骤二操作；本发明通过对原有势场函数进行修正，以保证机器人到达指定目标位置，实现机器人路径规划。

技术领域

本发明属于机器人及智能车辆的局部导航领域，具体涉及一种基于改进人工势场法和动态窗口法相结合的移动机器人避障路径规划方法。

背景技术

随着科学技术的发展，移动机器人的应用涉及到各行各业。移动机器人涉及多传感器信息融合、计算机和通信技术以及自动控制等多种理论，综合了机械、电子、计算机、自动化和人工智能的学科。自主导航是移动机器人实现智能化的关键技术，而路径规划则是自主导航中的基本部分，路径规划即机器人在工作环境中从当前位置出发，能够在到达指定目标点的过程中避开障碍物规划出一条安全可靠、无碰撞的运动路径。移动机器人的路径规划技术包括环境信息完全已知的全局路径规划和环境信息部分已知或完全未知的局部路径规划。人工势场法是较为传统的规划方法，根据机器人搭载各类型传感器实时感知工作周围的障碍物得到与障碍物之间的位置信息，将工作环境中物体和机器人自身等构建为一个虚拟势场，目标点与物体分别对机器人产生引力和斥力，通过它们的合力控制机器人的运动方向，从而完成运动规划。人工势场法的实时性一般高于其他算法且结构比较简单，能够完成对执行系统的底端控制。其计算量小、结构简单、反应速度快、对未知环境适应性强等优点使其仍是最合适的移动机器人实现避障的基础算法。但同时也存在一些缺陷，如存在局部极小值或目标不可达等问题。

路径规划是当前智能机器人技术研究热点之一，其中避障策略是其重中之重，目前，研究者多借用人工势场法、珊格法等方法研究移动机器人避障算法。其中，人工势场法因算法简单且易于实时控制而广泛应用，但容易陷入局部极小值或无法到达指定目标点使移动机器人无法到达目标位置完成相关任务需求；而珊格法存在着环境分辨率与环境信息存储量之间的矛盾，且计算量大，使用范围受限。

发明内容

为解决现有技术存在的人工势场法会使智能机器人陷入局部极小值或者无法到达指定目标点的问题，本发明公开了一种基于改进传统人工势场法和动态窗口法相结合的避障路径规划方法，并因实际路径规划中局部情况的复杂性，引入动态窗口法进行局部路径规划，保障智能机器人能够做出及时、准确的避障动作。

本发明基于传统势场函数和势场力对机器人进行力的模型分析，通过对原有引力场函数进行修正，增加一个阈值限定目标点与机器人之间的距离，有效解决机器人与目标点距离较远时引力较大导致可能与障碍物碰撞问题；并通过改进传统斥力场函数，以保证机器人能够按照预设规则到达指定目标位置；针对传统人工势场法易使机器人陷入局部极小值问题，通过添加随机扰动点实现机器人避开局部极小点并顺利到达目标点，实现机器人路径规划。在实际工作环境中可能存在动态障碍物，其局部环境信息可能相对复杂，故结合动态窗口法来解决路径规划过程中的局部路径问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种移动机器人避障路径规划方法，具体步骤如下：

一、基于移动机器人车载外部传感器激光雷达获取的工作环境信息构建栅格环境地图，每一个栅格根据环境信息被标记为有障碍物和自由空间，初始化设定引力尺度因子、斥力尺度因子η、障碍物的影响距离ρ₀、步长l、机器人起始点和指定到达目标点。

二、通过改进引力和斥力场函数计算机器人受到的引力F_att、引力F_att与水平方向的夹角、斥力F_rep、斥力F_rep与水平方向的夹角。