未知环境下群机器人多目标搜索协同控制

未知环境下,群机器人无法预先获取多目标搜索的环境信息,仅可局部感知与局部通信.本文针对避障效率与搜索效率的缺陷提出边界扫描的避障策略和目标位置估计的粒子群算法,边界扫描的避障策略(BSOA)将障碍物简化成连续障碍物与非连续障碍物两种情况,并根据情况向特定边界运动;目标位置估计的粒子群算法(TPEPSO)则利用获取的目标信号估计目标位置,结合粒子群算法到达目标附近,从而实现目标搜索.提出的方法与基于简化虚拟受力分析模型的循障避碰方法(SVF)及扩展粒子群算法(EPSO)、自适应机器人蝙蝠算法(ARBA)仿真比较,搜索效率提高5.72%～21.58%,总能耗减少4.30%～19.11%.     

基于随机惯性权重的简化粒子群优化算法

针对标准粒子群优化算法易出现早熟收敛、搜索速度慢及寻优精度低等缺陷, 提出一种基于随机惯性权重的简化粒子群优化算法。算法采用去除速度项的粒子群简化结构, 通过随机分布的方式获取惯性权重提高新算法的局部搜索和全局搜索能力, 并且学习因子采用异步变化的策略来改善粒子的学习能力。考虑到个体之间的相互影响关系, 每个粒子的个体极值用所有粒子个体极值的平均值代替。通过几个典型测试函数仿真及F-检验结果表明, 提出的算法在搜索速度、收敛精度、鲁棒性方面较已有改进算法有了显著提高, 并且具有摆脱陷入局部最优解的能力。     

基于高斯扰动和自然选择的改进粒子群优化算法

为了有效地平衡粒子群算法的全局与局部搜索性能,提出一种基于高斯扰动和自然选择的改进粒子群优化算法。该算法在采用简化粒子群优化算法的基础上,考虑到个体最优粒子间的相互影响,使用所有融入高斯扰动的个体最优的平均值代替每个粒子的个体最优值,并且借鉴自然选择中适者生存的进化机制提高算法优化性能;同时通过含有惯性权重停止阈值的自适应调节余弦函数递减策略来实现对惯性权重的非线性调整并采用异步变化调整策略来改善粒子的学习能力。仿真实验结果表明,所提算法在收敛速度和精度等方面均有提高,寻优性能优于近期文献中的几种改进的粒子群优化算法。     

基于混合粒子群算法的移动机器人路径规划

为了确定复杂环境中移动机器人最优轨迹,提出了一种混合粒子群优化算法(IPSO-GOP).首先对粒子群优化算法进行改进,在算法运行的各个阶段对惯性权重进行自适应调整来增强粒子的搜索能力,并采用混沌变量对粒子进行扰动以提高收敛速度;其次,为了提高算法寻优能力,摆脱局部极小值并增加种群的多样性,引入遗传算法继承的多重交叉和变异两个进化算子(GOP)优化改进版本的粒子群算法(IPSO);最后,使用三次样条插值对该混合算法生成的路径进行平滑处理,得到无碰撞最短的几何连续路径.实验结果表明,多障碍物环境下IPSO-GOP算法减少了陷入局部最优的发生,加快了收敛速度;同时,与原粒子群优化算法(PSO)相比,该算法寻优能力显著,在路径规划问题上有明显的优势.     

基于优化粒子群算法的无人机航路规划

针对粒子群优化(PSO)算法的无人机(UAV)航路规划问题,引入惯性权重和自然选择对粒子群算法进行优化,以提高基本粒子群算法收敛速度,防止陷入局部最优.算法分析惯性权重对粒子群算法的影响,进而调整惯性因子,提高算法的搜索能力;利用自然选择的便利性和规律性等特点,更新粒子群算法的粒子;同时通过对无人机的可行航向进行限定,缩小搜索范围.仿真实验表明:基于粒子群优化算法的无人机航路规划不仅缩短了最优航路,而且提高了搜索速度.     

基于自适应粒子群的SVM参数优化研究

针对粒子群算法在优化SVM参数时,存在着易陷入局部最优,早熟收敛的问题,首先提出了一种用自适应权重来代替惯性权重的粒子群算法,再引入自适应变异对粒子群算法进行优化,增强粒子的种群多样性,使其能够跳出局部最优解,从而达到全局最优.最后,将改进后的算法(GPSO-SVM)应用到UCI标准数据集上进行验证,实验结果表明,改进后的算法提高了粒子的搜索性能,是一种有效的SVM参数优化算法.     

基于HS-PSO算法的PID控制器参数自整定

针对粒子群算法(PSO)算法局部搜索能力差的问题,提出一种对PID控制器参数进行自整定的基于和声搜索(HS)的改进粒子群优化算法(HS-PSO).通过引入种群进程因子对惯性权重进行自适应调节以提高PSO算法的收敛速度.另外在PSO进化过程中每代产生的最优个体以新陈代谢方式进入和声记忆库中并进行和声搜索,以克服粒子群优化...     

一种改进的简化粒子群优化算法

针对粒子群优化算法(PSO)容易陷入局部极值、进化后期收敛速度慢和精度低等缺点,提出了一种改进的简化粒子群优化算法(YSPSO)。该算法采用黄金分割法平衡惯性与经验之间的相互影响;同时,为避免错过全局最优值,增加反向随机惯性权重,使粒子在一定程度上具有反向搜索的能力。最后,对几个经典基准测试函数进行实验,结果表明,YSPSO算法在提高算法收敛速度和精度的同时,降低了陷入局部极值的可能性,提高了PSO算法的实用性。     

新的全局-局部最优最小值粒子群优化算法

为了提高粒子群优化算法的收敛速度,克服陷入局部最优的缺点,在全局-局部最优粒子群优化算法的基础上,提出了一种新的改进粒子群优化算法——全局-局部最优最小值粒子群优化算法.该算法把惯性权重和学习因子分别通过结合全局和局部最优最小值来进行改写,速度更新公式也做了相应的简化.仿真实验表明该算法在收敛速度和寻优质量上都优于基于LDIW策略改进的粒子群算法和全局-局部最优粒子群算法.     

简化粒子群优化方法的改进研究

为了有效提高粒子群优化算法的收敛速度和搜索精度,增强算法跳出局部最优,寻得全局最优的能力,提出了一种改进的简化粒子群优化算法。该算法考虑了粒子惯性、个体经验和全局经验对于位置更新影响力的不同,改进了位置更新公式,克服了粒子群优化算法收敛速度慢和易陷入局部最优的缺点。标准函数测试结果表明该改进算法的收敛速度和搜索精度有了很大的提高。     

感知范围受限的群机器人自主围捕算法

针对在有障碍物场地中感知范围受限的群机器人协同围捕问题,本文首先给出了机器人个体、障碍物、目标的模型,并用数学形式对围捕任务进行描述,在此基础上提出了机器人个体基于简化虚拟速度和基于航向避障的自主围捕控制律.基于简化虚拟速度模型的控制律使得机器人能自主地围捕目标同时保持与同伴的距离避免互撞;基于航向的避障方法提升了个体的避障效率,避免斥力避障方法导致的死锁问题.其次本文证明了在该控制律下系统的稳定性.仿真结果表明,该算法在有效围捕目标的同时能够高效地避开障碍物,具有对复杂环境的适应性.最后本文分析了与其他方法相比该算法的优点.     

基于双粒子群算法的矿井搜救机器人路径规划

针对在复杂地形中标准的粒子群算法用于矿井搜救机器人路径规划存在迭代速度慢和求解精度低的问题,提出了一种基于双粒子群算法的矿井搜救机器人路径规划方法。首先将障碍物膨胀化处理为规则化多边形,以此建立环境模型,再以改进双粒子群算法作为路径寻优算法,当传感器检测到搜救机器人正前方一定距离内有障碍物时,开始运行双改进粒子群算法:改进学习因子的粒子群算法(CPSO)粒子步长大,适用于相对开阔地带寻找路径,而添加动态速度权重的粒子群算法(PPSO)粒子步长小,擅长在障碍物形状复杂多变地带寻找路径;然后评估2种粒子群算法得到的路径是否符合避障条件,若均符合避障条件,则选取最短路径作为最终路径;最后得到矿井搜救机器人在整个路况模型中的最优行驶路径。仿真结果表明,通过改进学习因子和添加动态速度权重提高了粒子群算法的收敛速度,降低了最优解波动幅度,改进的双粒子群算法能够与路径规划模型有效结合,在复杂路段能够寻找到最优路径,提高了路径规划成功率,缩短了路径长度。     

Navigation of carlike robots in an extended dynamic environment with swarm avoidance

In this paper, we propose a new solution to the motion planning and control problem for a team of carlike mobile robots traversing in an extended dynamic environment. Motivated by the emerging necessity to avoid or defend against a swarm of autonomous robots, the wide array of obstacles in this dynamic environment for the first time includes a swarm of boids governed separately by a system of ordinary differential equations. The swarm exhibits collective emergent behaviors, whereas the carlike mobile robots safely navigate to designated targets. We present a set of nonlinear continuous controllers for obstacle, collision, and swarm avoidance. The controllers provide a collision‐free trajectory within a constrained workspace cluttered with various fixed and moving obstacles while satisfying the nonholonomic and kinodynamic constraints associated with the vehicular robotic system. An advantage of the proposed method is the ease in deriving the acceleration‐based control laws from the Lyapunov‐based control scheme. The effectiveness of the control laws is demonstrated via computer simulations. The novelty of this paper lies in the simplicity of the controllers and the ease in the treatment of an extended dynamic environment, which includes swarm avoidance.     

碰撞锥检测改进的多智能体避障算法

避障是多智能体能够适应复杂环境并顺利完成任务的必要条件之一。为使多智能体更快通过障碍物并达到一致,提出了一种多智能体避障控制算法。算法引入了避障系数,该系数由基于角度比较的碰撞锥检测方法来确定,并通过牵制控制输入完成多智能体的避障。证明了在该算法作用下所有智能体最终会避开障碍,避免碰撞并最终达到一致。通过实验仿真分析和对比,该方法能够使得多智能体更快避开障碍物。     

基于神经网络和粒子群优化算法的移动机器人动态避障路径规划

本文提出了基于神经网络和粒子群优化算法的移动机器人动态避障路径规划方法。该方法用神经网络模型描述机器人工作空间的动态环境信息,并建立起机器人动态避障与网络输出间的关系,然后将需规划路径的二维编码简化为一维编码,最后用粒子群优化算法获得最优无碰路径。仿真结果表明,所提的动态路径规划方法是正确和有效的。     

Obstacle avoidance in a dynamic environment: a collision coneapproach

A novel collision cone approach is proposed as an aid to collision detection and avoidance between irregularly shaped moving objects with unknown trajectories. It is shown that the collision cone can be effectively used to determine whether collision between a robot and an obstacle (both moving in a dynamic environment) is imminent. No restrictions are placed on the shapes of either the robot or the obstacle, i.e., they can both be of any arbitrary shape. The collision cone concept is developed in a phased manner starting from existing analytical results that enable prediction of collision between two moving point objects. These results are extended to predict collision between a point and a circular object, between a point and an irregularly shaped object, between two circular objects, and finally between two irregularly shaped objects. Using the collision cone approach, several strategies that the robot can follow in order to avoid collision, are presented. A discussion on how the shapes of the robot and obstacles can be approximated in order to reduce computational burden is also presented. A number of examples are given to illustrate both collision prediction and avoidance strategies of the robot     

固定翼无人机在线航迹规划方法

在不确定环境下,针对固定翼无人机（UAV）航迹规划问题,提出了一种基于滚动时域控制的模糊粒子群优化算法与改进人工势场法相结合的在线航迹规划方法。首先,对凸多边形障碍物进行最小外接圆拟合;然后,根据静态威胁,将规划问题转化为一系列时域窗口内的在线子问题,利用模糊粒子群算法实时优化求解以实现静态避障;当环境中存在动态威胁时,使用改进人工势场法对航迹进行调整完成动态避障。为了满足固定翼无人机的动态约束,同时提出固定翼UAV的碰撞检测法,可提前判断障碍物是否为真正威胁源,以此减少转弯频率和幅度,降低飞行代价。仿真实验结果表明,所提方法在固定翼UAV航迹规划中能有效提升规划速度、稳定性与实时避障能力,且克服了传统人工势场容易陷入局部最优的缺点。     

动态复杂环境下的机器人路径规划蚂蚁预测算法

研究了一种新颖的动态复杂不确定环境下的机器人路径规划方法和动态避障码蚁预测算法.该方法模拟蚂蚁的觅食行为,由多组蚂蚁采用最近邻居搜索策略和趋近导向函数相互协作完成全局最优路径的搜索.在此基础上用虚拟蚂蚁完成与动态障碍物碰撞的预测,并用蚁群算法进行避障局部规划.理论和仿真实验结果均表明,即使在障碍物非常复杂的地理环境,用文中算法也能迅速规划出优化路径,且能安全避碰.     

无人机三维路径规划及避障方法

针对无人机(UAV)在三维环境中如何由起始点到目标点合理地规划路径避开障碍物,提出了一种基于改进粒子群算法与滚动策略相结合的UAV路径规划与避障方法.该方法首先以UAV为中心,通过传感器建立UAV的可视区域模型;其次结合滚动策略滚动探知UAV周围环境信息;最后,利用改进的粒子群算法进行路径搜索,并加入综合转角控制提高路径的平滑性.在传统粒子群算法中加入信息素与启发函数,增强算法的全局搜索能力,并对参数进行特定设计提高算法的收敛速度.仿真结果表明,该方法可以实现实时避障,所规划的路径相对平滑,且改进算法比传统算法具有较高的收敛性.     

基于改进粒子群的快速碰撞检测算法研究

针对碰撞检测算法精度低、实时性差等问题,提出了一种基于改进粒子群的快速碰撞检测算法。将粒子群优化算法引入到随机碰撞检测问题中,通过混合层次包围盒缩小粒子搜索空间。利用特征采样将虚拟空间内复杂的碰撞检测转换为二维离散空间中的搜索问题。算法对标准粒子群方程进行了优化处理,通过去除速度项来加快算法后期的收敛速度,在算法中引入高斯扰动缩短粒子跳出局部最优的时间,有效提高了算法的精度。通过实验验证,该算法具有较高的精度、实时性好,能够满足碰撞检测的应用要求。