[发明专利]一种求解三目标机器人路径规划问题的方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人路径规划技术领域，具体涉及一种求解三目标机器人路径规划问题的方法。

背景技术

目前，机器人路径规划问题除了寻求最短路径为单一目标的路径规划问题外，还会考虑机器人动作难度上的问题，即路径平滑度问题；路径的安全性问题，即机器人与其他物体的碰撞情况。现有技术在对问题建模时，将机器人看作一个质点，忽略了机器人本身的大小，但实际应用中，尤其在碰到较狭窄路径时，机器人本身的大小将会影响到机器人是否会与周边障碍物发生碰撞，从而影响最优路径的选择；在构造基于路径安全性的目标函数f3(x)时，要计算机器人在移动过程中当前路径与所有障碍栅格的最小距离，但实际应用中，距离某段路径较远处的障碍栅格对当前路径的安全性影响不大，因此，计算所有障碍栅格和当前路径的最小距离会额外增加计算的时间；在使用蚁群算法求解该问题时，搜索时间较长，容易陷入局部最优。

发明内容

本发明的目的是为解决上述不足，提供一种求解三目标机器人路径规划问题的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种求解三目标机器人路径规划问题的方法，方法如下：机器人在选择下一个栅格的过程中，除了要避开障碍栅格，还要避免与障碍栅格的碰撞，假定机器人为一半径为r的圆形质点，机器人从栅格0移动到栅格5的移动轨迹，如果考虑到机器人本身的大小，机器人从栅格0移动到栅格5会与障碍栅格2、3发生碰撞，因此，栅格5不能作为栅格0下一步移动的栅格，机器人从栅格0到栅格5移动的轨迹位于a、b、c、d所在区域，机器人在移动过程中需要先判断ad、bc、05三条线段是否会与障碍栅格区域发生相交，机器人需要保证在移动过程中不发生碰撞即要保证图中ad、bc、05三条线段都不都能与任何一个障碍栅格区域发生相交，线段ad、bc、05的数学公式如下：

假设x[i]，y[i]表示出发点i的位置坐标(0号栅格)。i+1表示出发点可能移动的下一个点(5号栅格)，r为机器人的半径；

线段ad公式如下：

其中：

线段bc公式如下：

其中：

线段05公式如下：

(y[i+1]-y[i])·x+(x[i]-x[i+1])·y+x[i+1]·y[i]-x[i]·y[i+1]＝0

x∈[x[i]，x[i+1]] y∈[y[i]，y[i+1]；

机器人选择下一个栅格移动的过程中，只要满足其移动路径不与障碍栅格发生碰撞的任意非障碍栅格都可作为备选栅格，机器人所在的每一段路径与该段路径附近障碍点的距离直接决定该路径的安全性，以路径中相邻两个栅格的中点(即每一段路径的中点)为原点，半径为R的圆作为该段路径的附近区域(R＝dist_ij/2+r，dist_ij表示该段路径的长度，r为机器人的半径)，如果在该区域内不存在障碍栅格，则表明该段路径安全性最佳，安全距离safedist可设置为一个较大的数，如果在该区域存在一个或多个障碍栅格，则计算各障碍栅格中心点到该段路径的距离，选取其中最小的值(如果只有一个障碍栅格，最小值即为该障碍栅格中心点到该段路径的距离)，并将该值设置为安全距离safedist。

一种求解三目标机器人路径规划问题的方法，具体算法如下：

(1)初始化：初始化参数α、β、γ，Q，初始化启发信息矩阵η，d_k，l表示栅格k和栅格l之间的距离；

初始化信息素矩阵τ，该矩阵中各元素初始值为1，构造外部档案集E，E初始时内部没有任何解，档案集大小为M，迭代最大次数N_max，当前迭代次数N＝0；

(2)构建解：N＝N+1，蚂蚁在搜索过程中，会根据小组信息素τ、蚂蚁的启发信息η，蚂蚁访问该栅格的次数V(V_l表示蚂蚁访问l点的次数，V_l越大，表示l栅格作为下个目标点的概率越小，目的是指导蚂蚁优先寻找新的路径以避免陷入局部最优)来计算状态转移概率，p_k，l表示蚂蚁从栅格k转移到栅格l的转移概率；

allowed表示蚂蚁i下一步允许选择的所有栅格的集合，允许选择的栅格为不与蚂蚁当前路径发生碰撞的所有非障碍栅格的集合；