[发明专利]一种基于物理建模的机器人避障路径规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人避障路径规划技术，本方法基于物理建模进行机器人避障路径规划，适用于实体机器人最优避障路径规划，也可以用于虚拟机器人避障路径规划。

背景技术

机器人避障路径规划是指，在给定的环境障碍条件下，选择一条从起始点到目标点的路径，使机器人可以安全、无碰撞地通过所有的障碍，这种自主地躲避障碍物并完成作业任务的方法，是机器人研究和应用中的一个重要内容。

2001年禹建丽等在洛阳工学院学报上发表了一篇题为一种基于神经网络的机器人路径规划算法的文章，提出了一种基于神经网络的机器人路径规划方法,研究了障碍物形状和位置已知情况下的机器人路径规划方法,利用神经网络结构进行能量函数的定义,根据路径点位于障碍物内外不同位置选取不同的动态运动方程,规划出的路径为折线形的最短无碰路径,计算简单,收敛速度快。Lazona-Perze提出了基于C空间的自由空间法，C空间法又称可视化空间法，将障碍物映射到C空间，形成的障碍空间的补集即为自由空间，将起始点和终点扩充到集合中，然后连接起始点、终点和所有障碍物顶点，要求连线不能穿越障碍物，然后应用启发搜索算法，搜索距离最短路径即为最优路径。这两种方法都属于按照逻辑拓扑关系来建模进行路径规划的方法，规划的路径和机器人之间缺少缓冲地带，规划结果所得的最优路径往往和障碍物紧挨，考虑到机器人运动时由于震动等导致的摆动，这样规划出来的路径对于机器人的运动是很危险的，当机器人在按照规划的路径运动时，如果发生摆动，可能导致运动物体和路径旁障碍物发生碰撞，引发安全问题。

人工势场法是为数不多的考虑了安全问题的机器人避障路径规划方法，人工势场法是由Khatib提出的一种虚拟力法，应用于机器人路径规划就是将机器人在周围环境中的运动，设计成一种抽象的人造引力场中的运动，目标点对移动机器人产生“引力”，障碍物对移动机器人产生“斥力”，最后通过求合力来控制移动机器人的运动，应用势场法规划出来的路径一般是比较平滑并且安全的，但是这种方法存在局部最优，即容易出现局部收敛的问题；而且当两个障碍物位置比较接近时，根据人工势场法规则，它们之间的通道是不能通过的，因而此时利用人工势场法进行路径规划要么由于障碍物过近导致规划失败，要么就要沿障碍物外围绕远，导致规划出来的路径过长。此外，人工势场法规划出来的路径多为不规则曲线不符合机器人运动习惯。

发明内容

为了解决以上现有技术存在的技术问题，本发明的目的是提出了一种基于物理建模的机器人避障路径规划方法，该方法在复杂的连续动态环境中获得相对安全且路程较短的路径，减少在进行路径寻优中可能发生的损害事故，提高工作效率。

为了达到上述目的，本发明的一种基于物理建模的机器人避障路径规划方法，包括步骤如下：

（1）、设立机器人工作区域的距离信息栅格和引力信息栅格，建立机器人工作环境的双重栅格信息图，其具体如下：

（1-1）、初始化栅格                                                ，初始化距离信息

设立机器人工作区域的距离信息栅格，将机器人工作区域进行二维栅格化描述，将机器人不能通行的栅格标记为障碍栅格，将机器人能通行栅格标记为可行栅格，在栅格图上，有障碍物的栅格或障碍物未完全占满的栅格为障碍栅格；无障碍物的的栅格为可行域，对机器人工作区域的栅格进行编号，其中表示栅格在方向上的坐标，分别表示方向上的栅格总数目，设定机器人有八个运动方向，的栅格为起始栅格，的栅格为目标栅格，为避免反向搜索采用起始栅格到目标栅格的有向搜索，相邻栅格距离为1，斜向点接栅格距离为，如果不计是否穿越障碍，起始栅格和目标栅格直线距离为最短距离，最短距离计算公式为：

；

 （1-2）、初始化栅格引力场信息，建立双重栅格信息图

设立机器人工作区域的引力信息栅格，在步骤（1-1）中已完成编号的栅格图基础之上，对所有可行域栅格赋予引力值，计算出每一个可行域栅格的引力值大小，该引力值由引力场函数设定，引力场函数计算公式为：

；

建立机器人双重栅格信息图，将上述引力信息栅格和距离信息栅格绘制在栅格图上，即将栅格图中的每一个栅格同时赋予距离值和引力值从而完成的栅格图，该栅格图称为双重栅格信息图；

（2）、基于上述双重栅格信息图的机器人避障路径规划，其具体步骤如下：

（2-1）、确定机器人初始位置，启动路径搜索

确定机器人初始位置和状态，获取机器人在双重栅格信息图中的初始点，然后启动有向遍历式路径搜索；