[发明专利]基于改进人工势场法的割草机器人实时避障方法

摘要

本发明公开了一种基于改进人工势场法的割草机器人避障方法，包括下述步骤：S1、设定割草机器人起点和目标点的位置，同时设定引力势场增益系数和斥力势场增益系数，建立割草机器人周围环境模型；S2、对引力势场函数进行改进；S3、对斥力势场函数进行改进，S5、计算割草机器人所受引力和各个斥力的大小和方向，计算引力和斥力在水平方向和竖直方向上的分量，并求出割草机器人所受的总的势场力大小和方向；S6、割草机器人在改进人工势场法的总势场力的作用下向目标点移动，并更新割草机器人坐标得到割草机器人的规划路径。本发明使得割草机器人能够安全、平稳和高效运行，提高了改进的避障方法的实用性。

主权项

1.基于改进人工势场法的割草机器人避障方法，其特征在于，包括下述步骤：/nS1、对割草机器人周围进行环境进行感知，实时反馈周围障碍物的距离和角度信息以及机器人自身的位姿信息，建立割草机器人周围环境模型，所述周围环境模型为各个障碍物和目标点相对于割草机器人的位置分布，同时设定引力势场增益系数和斥力势场增益系数；/nS2、对引力势场函数进行改进，具体为：/n由目标点生成的引力势场函数，其经典函数形式为/n /n式中：ρ(X,X_g)为X和X_g两个位置之间的欧几里得距离，X为割草机器人当前位置，X_g为目标位置，k为大于0的引力势场系数；/n当割草机器人与目标点之间的距离很大时，斥力在割草机器人运动控制中几乎不起作用，很容易导致割草机器人与障碍物发生碰撞；故通过增加一个由实际环境决定的范围值d来修改引力势场函数Ut_att(X)，避免机器人与障碍物发生碰撞；当机器人与目标点之间的距离小于d时，引力势场函数形式采用当机器人与目标点之间的距离大于d时，引力势场函数形式采用由此根据实际环境将引力势场分成以上连续的两段，可以很好地解决发生碰撞的问题，并且能够降低引力势场形状的畸变，则改进后引力势场函数具体形式为：/n /n式中：k为引力增益系数，d为环境决定的常数，X(x,y)为割草机器人当前位置，ρ(X,X_g)为割草机器人与目标点之间的欧几里得距离，ρ_o障碍物的影响半径；/nS3、对斥力势场函数进行改进，具体为：/n添加旋转力的改进斥力势场函数，具体形式为：/n /n式中：η为斥力势场增益系数，ρ(X,X_o)为机器人当前位置X和障碍物位置X_o之间的欧几里得距离，ρ_o为障碍物的影响范围，m为调节因子的指数；/n这种形式的斥力势场在保证目标点全局最小的情况下，导致机器人不在目标点附近时，极大的扭曲了斥力势场的形状，且仍存在机器人陷入局部极小值的问题；/n为此，引入考虑割草机器人本体半径的调节因子改进斥力势场函数，使得机器人不在目标点附近时，最小化扭曲障碍物势场，同时保证机器人在目标点在目标点取全局最小，则改进斥力势场函数具体形式为：/n /n式中：η为斥力增益系数，ρ_o障碍物的影响半径，R为机器人半径，X_o(x_o,y_o)为障碍物位置，X_g(x_g,y_g)为目标点位置，ρ(X,X_o)为机器人当前位置X和障碍物位置X_o之间的欧几里得距离，ρ(X,X_g)为机器人与目标点之间的欧几里得距离；/nS4、基于改进的引力势场函数和改进的斥力势场函数，得到割草机器人所受的引力和斥力以及总势场函数和总势场力函数，具体为：/n改进后的人工势场法的总势场函数为改进后的引力势场函数和斥力势场函数之和；若割草机器人周围存在多个障碍物时，则总的势场函数等于引力势场函数与各斥力势场函数之和；割草机器人所受引力等于引力势场函数的负梯度及其所受斥力等于斥力势场函数的负梯度；改进后的人工势场法的总势场力函数等于所得到的总的势场函数的负梯度；/nS5、计算割草机器人所受引力和斥力在水平方向和竖直方向上的分量，并求出割草机器人所受的总的势场力与水平方向的夹角θ，所述夹角θ为割草机器人的航向角；机器人所受势场力水平方向上的分量为在竖直方向上的分量为则割草机器人所受的总的势场力与水平方向的夹角为/n式中：θ为割草机器人的航向角，F_attx(X)、F_atty(X)分别为机器人所受引力在水平方向和竖直方向上的分量，F_repxi(X)、F_repyi(X)(i＝1,2,L,n)分别为机器人所受斥力在水平方向和竖直方向上的分量，F_totalx(X)、F_totaly(X)分别为机器人所受势场力水平方向和竖直方向上的分量；/nS6、割草机器人在改进人工势场法的总势场力的作用下向目标点移动，并更新割草机器人坐标，当割草机器人未到达目标点时，则在合力作用下继续运行；当割草机器人到达目标点时，则停止运行，由此，得到割草机器人的规划路径。/n