[发明专利]一种考虑角速度约束和改进斥力场的人工势场路径规划方法

说明书

本发明提供一种考虑角速度约束和改进斥力场的人工势场路径规划方法，属于路径规划领域。所述人工势场路径规划方法根据感知到的障碍物并结合所需的导航精度，实时地更新栅格地图。在每个迭代步中，根据装备与目标点、障碍物的相对位置，计算合力的理想方向。进而结合装备实际的角速度约束、速度信息，生成新的航路点。重复上述步骤，直到装备到达目标点邻域，即完成了路径规划过程。本发明通过引入角速度约束，避免了规划路径中的角度突变，提高了路径的光滑性和运动可行性；通过改进的斥力场设计方式，解决传统人工势场方法中可能出现的目标不可达现象；通过引入角速度和速度信息，将人工势场方法拓展为轨迹规划方法，便于执行后续的轨迹跟踪过程。

技术领域

本发明属于路径规划领域，涉及一种考虑角速度约束和改进斥力场的人工势场路径规划方法。

背景技术

人工势场是一种经典的路径规划方法。其基本思想为机器人在环境中的运动，抽象成质点粒子在人造引力场中的运动，其中障碍物对机器人产生斥力，目标点对机器人产生引力，机器人在合力的作用下避开障碍物并抵达目标点。传统的人工势场法具有良好的实时计算效率，在无人潜航器、无人机、机械臂等装备的路径规划问题中已经得到了广泛的引用，但其具有如下明显的缺陷：

(1)陷入局部最优点。复杂障碍场景下的势场设计通常会产生众多的局部最优点，机器人在该类工况下则会陷入局部最优点，无法完成后续的路径规划。

(2)不考虑角速度约束。任何装备的运动都服从特定的运动学或动力学方程，同时在有限的控制输入下，机器人的运动过程中朝向角不可能发生快速的改变。由于传统的人工势场方法不考虑角速度约束，因此得到的路径在实际中执行过程中可能并不可行。

(3)未提供时间信息。路径规划方法分为基于几何的方法以及轨迹规划方法，相比于基于几何的方法，轨迹规划方法在生成一系列航路点的同时还能够提供相应的时间信息。然而人工势场方法本身属于一种基于几何的方法，而非轨迹规划方法，不便于执行后续的轨迹跟踪。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种考虑角速度约束和改进斥力场的人工势场路径规划方法。该方法通过提出改进的斥力场设计方式并融合装备的运动学特性，将传统的人工势场路径方法拓展为一种轨迹规划方法，从而为后续轨迹跟踪的执行提供高质量的参考运动轨迹，具有良好的鲁棒性与实时计算效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种考虑角速度约束和改进斥力场的人工势场路径规划方法，根据感知到的障碍物并结合所需的导航精度，实时地更新栅格地图。在每个迭代步中，根据装备与目标点、障碍物的相对位置，计算合力的理想方向。进而结合装备实际的角速度约束、速度信息，生成新的航路点。重复上述步骤，直到装备到达目标点邻域，即完成了路径规划过程。本发明的计算流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：设定算法参数

设定规划算法中所需的参数，具体包括：出发时间T₀，时间步长ΔT，装备运动速度v_const，装备最大角速度引力系数K_att，斥力系数K_rep，目标点引力场线性-二次阈值ρ_g，障碍物斥力作用半径ρ_o，斥力分力退化系数n，等效达到误差ε。设定目标点的位置为V(x_g,y_g)，起始点的位置与朝向角分别为G^[0](x^[0],y^[0])和θ^[0]。定义变量ρ(A,B)代表平面内A、B两点间的欧氏距离，定义变量代表由点B指向点A的单位向量。设定迭代指标k＝0。

步骤2：获取装备的位置及方向信息