[发明专利]一种复杂环境下拖挂式移动机器人的运动规划与控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种拖挂式移动机器人的运动规划与控制方法，更具体的说，尤其涉及一种可绕开障碍物并在运行的过程中根据检测到的新障碍物来修改路径的复杂环境下拖挂式移动机器人的运动规划与控制方法。 

背景技术

拖挂式移动机器人（Tractor-trailer Mobile Robot，TTMR）是一种较为特殊的移动机器人，它由位于最前端的牵引车(tractor)和由之拖动的多个被动的拖车(trailer)组成，牵引车执行转向和驱动功能，而拖车跟随牵引车运动。拖挂式移动机器人一方面具有移动机器人的运动能力，另一方面可以拓展移动机器人的其它功能。例如清洁机器人，可以在移动机器人后拖挂一个清扫和收集垃圾的卡车，从而降低成本，提高效率；另外，救援机器人可以通过拖挂增加其运输能力，同时拖车节数也可以灵活改变，以便运输大量物体。

目前，拖挂式移动机器人的研究对象主要为室内服务机器人，如清洁机器人，救援机器人，在工厂仓库、机场用于运输货物、搬运行李、货物中转等任务的运输机器人。国际机器人技术联合会对服务机器人有一个初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类的服务工作，但不包括从事生产的设备。从广义上可以认为服务机器人是指除工业机器人之外的各种机器人，主要应用于服务业，如水下机器人、清洁机器人、救援机器人等。目前，服务机器人正在以飞快的速度发展壮大。根据IFR的调查，1998 年底，世界服务机器人的总数（不包括真空吸尘机器人）估计为最少5000 台，而到2009 年底，约有76, 600 台服务机器人在世界范围内得到应用，并且预计家用机器人（domestic robot）将成为服务机器人的主要支柱。

    复杂环境下的运动控制问题是机器人学中研究人工智能的一个重要方面，也是机器人在应用中必须解决的重要问题。当拖挂式移动机器人在有障碍物环境下运动时，需要避开障碍物，保证牵引车和拖车不与障碍物发生碰撞并运行到目标位置。但现在还没有一种行之有效的路径规划和控制方法，在保证路径最优的情况下可迅速地抵达目的位置。 

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种可绕开障碍物并在运行的过程中根据检测到的新障碍物来修改路径的复杂环境下拖挂式移动机器人的运动规划与控制方法。

本发明的复杂环境下拖挂式移动机器人的运动规划与控制方法，拖挂式移动机器人包括牵引车和拖车，牵引车与拖车之间通过链接点相连接，链接点处设置有用于测量拖车的车体纵向线相对于牵引车的车体纵向线转动角度的角度传感器；牵引车由后轮驱动、前轮转向，牵引车前转向轮的转向角速度为                                                ，牵引车的纵向速度为，且车轮与地面无滑动；牵引车驱动轮与转向轮之间的距离为，拖车的轮轴中点到链接点的距离为，连接轴的长度为；牵引车的左、右驱动轮可分别进行驱动，并通过左、右驱动轮的不同转速实现转向；牵引车上设置有声呐传感器，可实时检测0～360°空间内的障碍物信息，设声呐传感器的有效检测距离为;

定义为坐标系中牵引车和拖车的位形，=1时表示牵引车的位形，=2时表示拖车的位形；为牵引车后轮轴中心点的坐标，为拖车轮轴中线点的坐标；为方位角，表示车体纵向线相对于坐标系轴正向所旋转的角度；为牵引车的转向角，表示牵引车转向轮与车体纵向线之间的夹角；牵引车可获取自身车体纵向线相对于坐标系轴正向所旋转的角度；、为牵引车左、右驱动轮的速度；

其特征在于，所述拖挂式移动机器人的运动规划与控制方法通过以下步骤来实现：a).定义初始和终点位形，设初始位形为：=0，=0，==π，记为点；目标位形为=，=，==π，记为点，即要实现拖挂式机器人从点到点运动路径的规划与控制；b).检测障碍物，在初始位形状态下，牵引车通过声呐传感器检测周围的障碍物，其中表示第个障碍物的位置坐标，为障碍物的置信度；并通过如下公式求出障碍物的置信度：

        （1）

其中，为障碍物距离声呐传感器的距离，为置信度估计参数；c).障碍物的舍去，对于检测到的第个障碍物，判断步骤b)中所求取的障碍物的置信度，如果＜，则将该置信度对应的障碍物舍去；d).定义障碍物空间，定义障碍物空间=，其中表示障碍物空间的第个区域，当≠时：=，令=；e).对于牵引车检测到的障碍物，首先判断=是否成立，如果为空集，则生成区域=，如果不为空集，则执行步骤f)；f).通过公式（2）判断障碍物是否属于空间中的区域，；

≤      （2）