基于改进渐进最优的双向快速扩展随机树的移动机器人路径规划算法

针对带启发式的快速扩展随机树（RRT-Connect）算法路径生成的随机性以及渐进最优的双向快速扩展随机树（B-RRT^*）算法收敛速度的缓慢性，提出了一种基于B-RRT^*改进的高效路径规划算法（EB-RRT^*）。首先引入一种智能采样函数，使随机树的扩展更具方向性，从而减少寻路时间，并提高路径的平滑性；其次在B-RRT^*算法的基础上，在EB-RRT^*算法中加入了一种快速扩展策略，使改进后的算法在自由空间中使用RRT-Connect算法的扩展方式进行快速扩展，而在障碍物空间则使用改进的渐进最优的快速扩展随机树（RRT^*）算法进行扩展，在提高扩展效率的同时避免算法陷入局部最优。将EB-RRT^*算法分别与快速扩展随机树（RRT）、RRT-Connect、RRT^*和B-RRT^*算法进行仿真对比，仿真结果表明，改进后的算法在路径规划效率及路径平滑性方面均明显优于其他算法；且相对于B-RRT^*算法，其在路径规划时间上降低了68.3%，在迭代次数上减少了48.6%。     

基于人工势场法和启发式采样的最优路径收敛方法

具有渐进最优性的快速搜索随机树（RRT^*）算法在路径规划过程中确保了其概率完备性和渐进最优性,然而仍存在收敛速度慢且产生大而密集的采样空间等问题。为了加快算法的收敛速度,提出了一种基于人工势场法和启发集合采样来快速获取最优路径的方法。首先,利用人工势场法构建出一条由起点到目标点的初始路径;然后,以起点和目标点的位置和之间的距离以及初始路径的路径代价作为参数来构建初始启发采样集合;最后,限定在启发集合内进行采样,并且在算法进行的过程中调整启发采样集合的范围,进而加快路径收敛速度。仿真实验中,获取相同路径代价的路径时,所提人工势场结合启发式采样的方法为基础的结合人工势场法和启发采样策略的快速获取最优路径的RRT^*（PI-RRT^*）算法相较于RRT^*算法,采样点数减少了约67%,算法运行时间平均缩短了约74.5%;相较于启发式RRT^*（Informed-RRT^*）算法,采样点数减少了约40~50%,算法运行时间平均缩短了约62.5%。所提出的最优路径收敛方法大量减少了冗余采样次数并缩短了算法运行时间,具有更高的算法效率,收敛到最优路径的速度更快。     

低空复杂环境下基于采样空间约减的无人机在线航迹规划算法

针对低空复杂环境下障碍物密集且类型多样、带有多通道并存在不确定信息的无人机在线航迹规划问题,为了减少碰撞检测次数,提高航迹搜索速度,降低航迹代价,提出一种基于采样空间约减的无人机在线航迹规划算法. 算法通过引入代价模型,提出约减域逐步构造方法,引导规划树快速有效扩展,改善了基于动态域的快速拓展随机树（Dynamic domain rapidly-exploring random tree,DDRRT） 算法中存在的采样空间过度约减问题. 算法通过密度划分索引的方法逐步构建多棵Kd 树（K-dimensional tree）并采用多近邻节点搜索方法,加快了近邻树节点搜索速度. 仿真实验结果表明,与DDRRT方法相比,该方法在保证对采样空间约减合理性的同时,提高了航迹规划效率和通道内的寻路能力.     

基于改进RRT-Connect算法的机械臂路径规划

针对RRT^*算法速度较慢问题,提出一种快速收敛至最优路径的最优双向快速扩展随机树(Optimal Bidirectional Rapidly-exploring Random Trees,Obi-RRT)算法。Obi-RRT使用改进的RRT-Connect算法快速得到较低成本路径,通过路径修剪得到关键点,围绕关键点提出三种采样空间并进行采样,通过不断更新关键点从而得到最优或接近最优的路径。平面和机械臂关节空间下的仿真实验表明,Obi-RRT算法运行时间仅为RRT^*算法的十分之一,并且路径成本更低。     

基于改进A*算法的移动机器人路径规划

为了解决较大场景下A^*寻路算法存在的内存开销大、计算时间长等问题,本文在A^*算法的基础上,结合跳点搜索算法,提出一种改进的A^*算法．该算法通过筛选跳点进行扩展,直到生成最终路径,扩展过程中使用跳点代替A^*算法中大量可能被添加到OpenList和ClosedList的不必要节点,从而减少计算量．为了验证改进A^*算法的有效性,分别在不同尺寸的2维栅格地图中进行仿真,仿真结果表明,相比A^*算法,改进A^*算法在寻路过程中扩展更少的节点,寻路速度更快,且加速效果随环境地图的增大更加明显．最后将改进A^*算法应用于移动机器人Turtlebot2进行对比实验．实验结果表明,在生成相同路径的基础上,改进A^*算法的寻路速度较A^*算法提高了约200%,能够满足移动机器人路径规划的要求．     

基于局部规划的三维航迹规划方法

研究飞行器航迹是选择最优航线问题,针对三维航迹规划中搜索空间大、计算时间长的问题,为缩短搜索时间,获得最优航迹,提出了一种基于A<'*>算法并结合局部规划的三维航迹规划方法.方法首先对A<'*>算法中的当前待扩展节点在局部规划空间中确定几个最有希望的扩展节点,再将其与A<'*>算法相结合,最后对局部规划算法过程中的不足,通过地形标记和加入树搜索深度惩罚做出改进,有效地减小了搜索空间,缩短了搜索时间,并在搜索过程中充分利用地形信息,使算法生成的航迹能够避开大的地形障碍,而且能够充分利用有利的地形.在实际地形数据中进行的实验表明方法能快速、有效地规划出理想优化的航迹.     

室内场景下应用拓扑结构的高效路径规划算法

针对基于随机采样的路径规划算法效率低且采样具有随机性的问题,提出一种应用拓扑结构的高效路径规划算法ATIRRT^*。通过引入拓扑节点代替STIRRT*算法中Harris角点检测算法得到的特征点进行采样,给出基于阈值的自适应选择方法来消除路径骨架上提取的冗余特征点,利用该阈值得到的拓扑节点可以使随机树的扩展更具方向性,从而减少寻找初始路径的时间和代价。根据非单一父节点的连接方式加强交叉支路上的拓扑节点间的联系,通过节点扩充策略增加相邻拓扑节点间的节点数量以加快优化算法的收敛。在此基础上定义相关约束条件将初始路径分段并进行逐段优化,以提高优化算法的效率。在常规环境、狭长空间和仿真的室内环境3种类型地图上的仿真结果表明,相较于STIRRT^*算法,改进算法在规划路径长度上平均减少8%,在规划时间上平均降低10%,可快速地找到更优的初始路径,同时在优化过程中减少了无用的探索空间,提高了搜索效率。     

基于改进A*算法的无人车路径规划

传统的A^*算法在无人车路径规划中存在规划时间较长和搜索范围较大的缺点。综合分析A^*算法的计算流程后,从四个方面对A^*算法进行改进：1）目标性拓展,即根据待扩展节点和目标节点的相对位置来有目标性地选择不同的象限进行节点拓展;2）目标可见性判断,即判断待扩展节点与目标点之间有无障碍物,若无障碍物则跳出A^*算法的探索过程,以此减少多余的搜索;3）改变A^*算法的启发函数,即增加待扩展节点的n辈父节点到目标点的代价估计,以此减少到目标点的代价估计的局部最优情况;4）改变扩展节点的选取方略,即改变传统的最小化启发函数来选择扩展节点的方式,通过引入模拟退火法来优化扩展节点的选择方式,使得搜索过程尽可能向靠近目标点的方向进行。最后通过Matlab仿真实验结果表明,在模拟的地图环境下,提出的改进A^*算法在运行时间上减少67.06%,经历的栅格数减少73.53%,优化路径长度浮动范围在±0.6%。     

基于已知地形信息的海底机器人路径规划

路径规划是实现机器人智能化的重要组成部分,规划路径的优劣在很大程度上决定了机器人执行任务的效果. 传统的路径规划算法,例如基于图搜索的dijkstra算法和其改进后的A^*算法,以及基于采样的RRT （rapidlyexploring random tree） 算法和其改进后的 RRT^*算法,仅仅考虑了避障问题;基于插值曲线的算法可以产生较为光滑的轨迹;基于数值优化的算法可以将机器人速度、加速度等加入损失函数,通过优化求解,产生动力学特性较好的轨迹. 然而,面对当前越来越精确、丰富的先验地形信息,鲜有算法可以充分利用他们. 对此,基于海底数字高程地图（digital elevation map, DEM）,提出扩展A^*算法及FM （fast marching）算法改进算法,能够利用先验地形信息提高路径规划的效果. 通过仿真分析,对比3种算法:扩展A^*算法、TC FM （terrian cared fast marching）和TC FM^*算法,仿真结果表明,扩展A^*     

目标偏置双向RRT*算法的机器人路径规划

针对RRT*和B-RRT*算法在较复杂环境下路径规划时,存在搜索时间长、采样效率低和规划路径曲折的问题,提出一种目标偏置双向快速扩展随机树算法——GBB-RRT*(goal biased bidirectional RRT*).该算法每次迭代中两棵随机树都进行扩展,一次迭代能生成两个新节点,加快扩展速度.然后引入目标偏...     

融合安全A*算法与动态窗口法的机器人路径规划

A^*算法通过启发信息指引搜索方向,被广泛应用于移动机器人的路径规划,但其规划出的搜索路径存在冗余节点且与障碍物相近,无法满足动态避障需求。对标准A^*算法进行改进,设计安全A^*算法并融合动态窗口法进行路径规划。定义安全距离因子引入A^*算法的启发函数中,提高算法规划路径的安全性,同时采用平面结构法对算法规划得到的路径进行优化,根据相邻节点与障碍物之间的位置关系判断该相邻节点间是否存在障碍物,由此减少路径拐点数,提高路径平滑度。由于当移动机器人处于未知环境时,仅靠A^*算法不能避开障碍物到达目标点,因此借助动态窗口法的局部避障功能。通过安全A^*算法规划全局最优路径节点坐标,设计融合子函数改进动态窗口法的评价函数,解决动态窗口法易陷入局部最优的问题。实验结果表明,在复杂环境中,该方法通过融合安全A^*算法和动态窗口法,能够确保在安全路径基础上实时随机避障,使机器人安全到达终点。     

多方向无人水面艇路径规划算法

针对海洋环境下无人水面艇路径（USV）规划安全性与平滑性问题,提出一种多方向A^*路径规划算法以获得全局最优路径。首先,结合电子海图生成栅格化环境信息,并根据安全航行距离约束建立USV安全区域模型,在传统A^*算法基础上设计一种带安全距离约束的A^*启发函数来保证生成的路径节点的安全;其次,改进传统A^*算法的八方向搜索模式,提出一种多方向搜索模式来调整生成路径中的冗余点与拐点;最后,采用路径平滑算法对路径拐点进行平滑处理以获得满足实际航行要求的连续平滑路径。在仿真实验中,改进A^*算法规划的路径距离为7 043 m,相较于Dijkstra算法、传统A^*四方向搜索算法和传统A^*八方向搜索算法分别降低了9.7%、26.6%和7.9%。仿真结果表明改进后的多方向A^*搜索算法能够有效减小路径距离,更适用于USV路径规划问题。     

多方向无人水面艇路径规划算法

针对海洋环境下无人水面艇路径（USV）规划安全性与平滑性问题，提出一种多方向A^*路径规划算法以获得全局最优路径。首先，结合电子海图生成栅格化环境信息，并根据安全航行距离约束建立USV安全区域模型，在传统A^*算法基础上设计一种带安全距离约束的A^*启发函数来保证生成的路径节点的安全；其次，改进传统A^*算法的八方向搜索模式，提出一种多方向搜索模式来调整生成路径中的冗余点与拐点；最后，采用路径平滑算法对路径拐点进行平滑处理以获得满足实际航行要求的连续平滑路径。在仿真实验中，改进A^*算法规划的路径距离为7 043 m，相较于Dijkstra算法、传统A^*四方向搜索算法和传统A^*八方向搜索算法分别降低了9.7%、26.6%和7.9%。仿真结果表明改进后的多方向A^*搜索算法能够有效减小路径距离，更适用于USV路径规划问题。     

改进A*算法的移动机器人最短路径规划

针对复杂室内环境下移动机器人路径规划存在实时性差的问题,通过对Dijkstra算法、传统A^*算法以及一些改进的A^*算法的分析比较,提出了对A^*算法的进一步改进的思路。首先对当前节点及其父节点的估计路径代价进行指数衰减的方式加权,使得A^*算法在离目标点较远时能够很快地向目标点靠近,在距目标点较近时能够局部细致搜索保证目标点附近障碍物较多时目标可达;然后对生成的路径进行五次多项式平滑处理,使得路径进一步缩短且便于机器人控制。仿真结果表明,改进算法较传统A^*算法时间减少93.8%,路径长度缩短17.6%、无90°转折点,使得机器人可以连续不停顿地跟踪所规划路径到达目标。在不同的场景下,对所提算法进行验证,结果表明所提算法能够适应不同的环境且有很好的实时性。