基于改进人工势场法的移动机器人路径规划.pdf
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1、第 卷第 期计算机应用与软件 年 月 基于改进人工势场法的移动机器人路径规划徐劲力许建宁黄丰云李征瑞(武汉理工大学机电工程学院湖北 武汉 )收稿日期:。中央高校基本科研业务费资助项目()。徐劲力,教授,主研领域:智能制造,机器人技术。许建宁,硕士生。黄丰云,副教授。李征瑞,硕士生。摘要传统人工势场法处理机器人路径规划时,会出现陷入局部最小值乃至无法运动的问题以及障碍物附近目标不可达问题。针对传统算法的不足,提出一种改进的人工势场法。对引力场进行修改,添加最小引力势能,并在斥力场函数中引入当前点与目标点的欧氏距离,当搜索路径陷入局部最小值不可移动时采用变步长的模拟退火算法进行逃逸。在规划出来的路
2、径上提出一种路径优化算法,对规划出来的路径进行平滑处理。仿真分析表明,改进后的算法能够在较为复杂的静态障碍环境中规划出一条无碰撞的平滑路径,证明了该算法的有效性。关键词人工势场模拟退火移动机器人路径规划路径优化中图分类号 文献标志码 :(,),引言路径规划技术在移动机器人领域中是一项尤为重要的技术,是其自主移动完成各种复杂任务的前提,更是所有移动机器人可以进行智能化技术应用分析研究的一切前提。近年来,国内外学者提出一系列算法应用在路径规划研究当中,主要包括人工势场法 、蚁群算法 、遗传分析算法 、算法 、算法 等。相比于其他算法,人工势场法比较简单,计算量小,所规划的路径相对较为平坦,但是也存
3、在障碍物附近目标不可达以及陷入局部最小值无法运动等缺陷。为了解决这些问题,国内外学者对其进行了改进:杨凯等 通过对斥力场模型进行改进优化,通过设置虚拟目标点解决移动机器人在搜索路径研究过程中可能出现的局部最小值问题;等 提出采用遗 计算机应用与软件 年传算法与人工势场算法融合以此来对人工势场法进行改进,搜索出一条无碰撞的路径;汪四新等 通过改进斥力场的人工势场与模糊算法相结合,利用模糊决策系统调整机器人运动,使得规划出的路径平滑;李靖等 通过改进人工势场法中的势场模型,去除斥力场,设置动态引力场,在机器人运动过程中不断对引力场进行修正,最后对生成的路径进行平滑;侯翔 通过改进人工势场法中的势力
4、场模型,引入指数因子,采用量子遗传算法对规划出的路径进行优化平滑。本文在现有研究基础上,针对人工势场法应用在移动机器人路径规划领域存在的问题,提出一种改进的人工势场法。通过改进斥力场函数模型,将人工势场法与模拟退火算法融合,并通过路径优化算法规划出一条无碰撞的平滑路径。传统人工势场法人工势场法是通过在机器人进行运动时建立势力场,并使得在目标点出的合势力为全局最优值。对于移动机器人在二维空间中任意一点 ,传统人工势场法通过在空间中目标点 建立引力势场,在各个障碍物 处建立斥力势场。在目标点引力 以及障碍物排斥力 的作用下,通过两者的合力 以及给定的步长 确定了移动机器人下一步的运动方向 ,如图
5、所示。图 移动机器人受力示意图传统人工势场法的目标点引力场函数模型如下:()()()式中:为所述引力势场的增益系数。对应的引力为:()()()()障碍物点处斥力场函数模型如下:()()()式中:为所述斥力势场的增益系数;为机器人当前点 与障碍物点 的直线距离;为障碍物点影响距离。对应的斥力为:()()()()机器人所受的合势场以及合力为:()()()()()()()()()式中:为障碍物的数目。改进人工势场法 改进势力场函数传统人工势场法中,机器人在建立好的势力场中受到障碍物的斥力以及目标的吸引力,两者合力的方向决定了机器人的运动方向。从式()、式()可以看出,当移动机器人愈靠近目标点(位置在
6、障碍物影响范围内)时,受到的斥力会远远大于引力,机器人无法到达目标点,因此对势场函数模型进行改进,在斥力场函数中引入当前点与目标点的欧氏距离。同时,为减小路径的振荡性,添加最小引力势能。此时改进引力场函数模型为:()(),()式中:为最小引力势能。对应的引力为:()()()()()()改进后的斥力场函数模型如下:()()()()对应的斥力为:()()()式中:第 期徐劲力,等:基于改进人工势场法的移动机器人路径规划 ()()()()()()此时移动机器人的受力如图 所示。图 改进斥力场移动机器人受力示意图 局部最小值问题为处理采用人工势场法时所出现的局部最小值问题导致机器人不可移动的情况,本文
7、采用变步长的模拟退火算法逃逸当前局部最小点。模拟退火算法是模拟工程中物质退火的算法,当加热后的高温材料温度逐渐冷却时,材料内能逐渐降低,分子逐渐趋向稳定,能够以一定概率跳出当前的局部最小值 。算法步骤如下:步骤 初始化算法中如下设计参数:初始工作温度为 ,退火速率为 。步骤 随机产生新解:在范围内给移动机器人一随机角度 、步长 ,其中 为步长增益系数,判断机器人以该随机角度以及增益后的步长运动后是否与障碍物碰撞,若碰撞,重复步骤 ;否则,进行下一步。步骤 计算随机点的合势能 、前一个点的合势能 、势能变化量 。步骤 采用 准则,判断是否接受当前随机解,若 ,则接受当前随机解,否则产生一个随机数
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