一种基于物理建模的机器人避障路径规划方法

摘要

本发明公开了一种基于物理建模的机器人避障路径规划方法，步骤如下：设立机器人工作区域的引力场栅格和距离信息栅格，建立机器人双重栅格信息图；基于上述双重栅格信息图，采用有向遍历法搜索所有可行路径，计算出引力值和距离值的综合评价值，取最大值所对应的路径方案即为机器人最优避障路径规划方案。该方法克服了机器人路径规划中对运动物体和障碍物几何属性不作考虑的缺点，该方法建立双重栅格后，进行路径搜索时，根据双重栅格的值进行机器人避障路径规划，兼顾了路径最短和运动安全的问题，提高了路径规划的效率，降低在进行路径寻优中可能发生的损害事故。

主权项

1.一种基于物理建模的机器人避障路径规划方法，该方法包括步骤如下：（1）、设立机器人工作区域的距离信息栅格和引力信息栅格，建立机器人工作环境的双重栅格信息图，其具体如下：（1-1）、初始化栅格，初始化距离信息设立机器人工作区域的距离信息栅格，将机器人工作区域进行二维栅格化描述，将机器人不能通行的栅格标记为障碍栅格，将机器人能通行栅格标记为可行栅格，在栅格图上，有障碍物的栅格或障碍物未完全占满的栅格为障碍栅格；无障碍物的的栅格为可行域，对机器人工作区域的栅格进行编号，其中表示栅格在方向上的坐标，分别表示方向上的栅格总数目，设定机器人有八个运动方向，的栅格为起始栅格，的栅格为目标栅格，为避免反向搜索采用起始栅格到目标栅格的有向搜索，相邻栅格距离为1，斜向点接栅格距离为，如果不计是否穿越障碍，起始栅格和目标栅格直线距离为最短距离，最短距离计算公式为：（1-2）、初始化栅格引力场信息，建立双重栅格信息图设立机器人工作区域的引力信息栅格，在步骤（1-1）中已完成编号的栅格图基础之上，对所有可行域栅格赋予引力值，计算出每一个可行域栅格的引力值大小，该引力值由引力场函数设定，引力场函数计算公式为：；建立机器人双重栅格信息图，将上述引力信息栅格和距离信息栅格绘制在栅格图上，即将栅格图中的每一个栅格同时赋予距离值和引力值从而完成的栅格图，该栅格图称为双重栅格信息图；（2）、基于上述双重栅格信息图的机器人避障路径规划，其具体步骤如下：（2-1）、确定机器人初始位置，启动路径搜索：确定机器人初始位置和状态，获取机器人在双重栅格信息图中的初始点，然后启动有向遍历式路径搜索；（2-2）、搜索出一条机器人未走过的路径：从初始点出发，沿轴正向搜索路径；判断搜索出来的路径方案的节点组合是否已经存在于禁忌数组中机器人由初始点按照目标点所在位置设定行进方向为沿轴的正向，机器人规避禁止在的栅格搜索，其中，表示栅格的引力值，的栅格为障碍栅格，为避免重复无效搜索，按照根部求异法进行搜索，即搜索过程中先设值从1逐步变化到，然后值从1逐步变化到，……直到一次搜索结束，搜索过程中根据禁忌数组中的路径方案，找出符合以下条件的路径方案：中的路径方案总数目，路径方案即为第i种路径方案，其中的分别表示利用根部求异法进行路径搜索时第一个发生变化的栅格的坐标；（2-3）、计算路径方案i的距离值从初始点到终点遍历路径方案中的路径节点，计算路径方案的距离值，其计算公式为：其中，表示第种路径方案的距离值，定义相邻栅格间的距离为1，斜向点接栅格间距离为；表示第i种路径所遍历的总栅格数目，示纵向和横向移动的栅格数；（2-4）、计算路径方案i的引力值，计算路径方案的引力值，其计算式为：其中，表示第i种路径方案的引力值；表示栅格的引力值；表示栅格的坐标；表示第i种路径所遍历的总栅格数目；（2-5）、计算路径方案第i的综合评价值计算路径方案i的距离值和引力值的综合评价值，其计算式为：其中，表示第i种路径方案的综合评价值；表示引力值权重，表示距离值权重，且满足；表示最短距离；（2-6）、记录距离值、引力值、综合评价值；与节点信息一并存入禁忌数组中；计算数据录入，记录第i种路径节点组合、以及距离值、引力值、引力值和距离值的综合评价值到禁忌数组中，记录完成后，表示第i种路径方案记录完毕，i自增1，转步骤（2-7）；（2-7）判断是否满足，判断是否已搜索出所有路径，如果中的值和值分别满足，则表示已搜寻出所有路径，转步骤（2-8），如果中的值和值没有满足，则机器人没有搜寻出所有路径，则转步骤（2-2）；（2-8）、计算，调取中的路径信息，搜索出所有路径后，比较禁忌数组中全部路径方案的引力值和距离值的综合评价值，计算全部路径方案综合评价值的最大值，调取为最大值时所对应的路径方案的信息；其中的计算公式为：，其中，为禁忌数组中每种路径方案的综合评价值；（2-9）、输出为最大值时所对应的路径方案的信息，避障路径规划结束。