[发明专利]一种障碍物与物理极限躲避方法

说明书

本发明公开了一种障碍物与物理极限躲避方法，包括如下步骤：依据目标系统的物理模型，列写其运动学方程表达式；求解目标系统末端执行器的雅克比矩阵；依据目标系统与障碍物之间的关系，定义其障碍物躲避约束；将障碍物躲避约束进行优化，设计基于矢量的障碍物躲避方法；依据目标系统的物理模型，设定其物理极限约束表达式；将基于矢量的障碍物躲避方法与物理极限约束表达式合并，并结合末端执行器的雅克比矩阵，设计目标系统的基于矢量的障碍物与物理极限躲避方法；进行变换得到与其等价的线性微分不等式；进行变换得到与其等价的线性投影方程；将线性投影方程代入原对偶神经网络求解器进行解算，即可完成目标系统对障碍物与物理极限的躲避。

技术领域

本发明涉及系统控制与规划技术领域，具体涉及一种障碍物与物理极限躲避方法。

背景技术

障碍物躲避和物理极限躲避是搭载有冗余机械臂的现代智能系统解析研究中的基础问题之一,其关系到所搭载的冗余机械臂能否成功完成给定的末端任务。因此，动态规划与控制中的障碍物和物理极限躲避是非常重要且具有实际意义的。如若没有考虑对上述障碍物和物理极限的躲避，将很有可能导致工作失败甚至造成机械臂的损坏。

传统的方法为基于人工势场的方法，它的基本思想是将机械臂在周围环境中的运动，设计成为一种抽象的在人造引力场中的运动，目标点对移动机械臂产生“引力”，障碍物对移动机械臂产生“斥力”，最后通过求合力来控制移动机械臂的运动。应用势场法规划出来的路径一般比较平滑并且安全，但是这种方法存在局部最优点问题。除此之外，在应用这样一种方法进行障碍物躲避时，要求障碍物最好是规则的，否则算法的计算量将很大，有时甚至是无法计算的。基于人工势场的方法的内在的局限性主要表现在：当目标附近有障碍物时，机械臂将永远也到达不了目的地。在以前的许多研究中，目标和障碍物都离的很远，当机械臂逼近目标时，障碍物的斥力变的很小，甚至可以忽略，机械臂将只受到吸引力的作用而直达目标。但在许多实际环境中，往往至少有一个障碍物与目标点离的很近，在这种情况下，当移动机械臂逼近目标的同时，它也将向障碍物靠近，如果利用以前对引力场函数和斥力场函数的定义，斥力将比引力大的多，这样目标点将不是整个势场的全局最小点，因此机械臂将不可能到达目标。这样就存在局部最优解的问题，因此如何设计“引力场”问题就成为该方法的关键。同时，目前在应用这一方法的同时并未考虑冗余机械臂本身的物理关节极限问题，在实际执行任务时容易导致机械臂锁死等一系列不可行问题。

面对这样一个背景，亟待提出一种基于矢量的障碍物与物理极限躲避方法并用以在实际搭载有冗余机械臂的移动平台上。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于矢量的障碍物与物理极限躲避方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种障碍物与物理极限躲避方法，所述的躲避方法包括下列步骤：

S1、依据目标系统的物理模型，列写其运动学方程表达式；

S2、基于步骤S1中目标系统的运动学方程表达式，求解目标系统末端执行器的雅克比矩阵；

S3、依据目标系统与障碍物之间的关系，定义其障碍物躲避约束；

S4、将步骤S3中所述的障碍物躲避约束进行优化，设计基于矢量的障碍物躲避方法；

S5、依据目标系统的物理模型，设定其物理极限约束表达式；

S6、将步骤S4中所述的基于矢量的障碍物躲避方法与步骤S5中所述的物理极限约束表达式合并，并结合步骤S2中所述的末端执行器的雅克比矩阵，设计目标系统的基于矢量的障碍物与物理极限躲避方法；

S7、将步骤S6中所述的基于矢量的障碍物与物理极限躲避方法进行变换，得到与其等价的线性微分不等式形式；