Velocity potential approach to path planning for avoiding moving obstacles

This paper describes the theory and an experiment of a velocity potential approach to path planning and avoiding moving obstacles for an autonomous mobile robot by use of the Laplace potential. This new navigation function for path planning is feasible for guiding a mobile robot avoiding arbitrarily moving obstacles and reaching the goal in real time. The essential feature of the navigation function comes from the introduction of fluid flow dynamics into the path planning. The experiment is conducted to verify the effectiveness of the navigation function for obstacle avoidance in a real world. Two examples of the experiment are presented; first, the avoidance of a moving obstacle in parallel line-bounded space, and second, the avoidance of one moving obstacle and another standing obstacle. The robot can reach the goal after successfully avoiding the obstacles in these cases.     

基于场景理解与改进型BUG算法的移动机器人避障

针对现有移动机器人在视觉避障上存在的局限,将深度学习算法和路径规划技术相结合,提出了一种基于深层卷积神经网络和改进Bug算法的机器人避障方法;该方法采用多任务深度卷积神经网络提取道路图像特征,实现图像分类和语义分割任务;其次,基于语义分割结果构建栅格地图,并将图像分类结果与改进的Bug算法相结合,搜索出最优避障路径;同时,为降低冗余计算,设计了特征对比结构来对避免对重复计算的特征信息,保障机器人在实际应用中实时性;通过实验结果表明,所提方法有效的平衡了多视觉任务的精度与效率,并能准确规划出安全的避障路径,辅助机器人完成导航避障。     

The study of path error for an omnidirectional home care mobile robot

The first objective of this research was to develop an omnidirectional home care mobile robot. A PC-based controller controls the mobile robot platform. This service mobile robot is equipped with an “indoor positioning system” and an obstacle avoidance system. The indoor positioning system is used for rapid and precise positioning and guidance of the mobile robot. The obstacle avoidance system can detect static and dynamic obstacles. In order to understand the stability of a three-wheeled omnidirectional mobile robot, we carried out some experiments to measure the rectangular and circular path errors of the proposed mobile robot in this research. From the experimental results, we found that the path error was smaller with the guidance of the localization system. The mobile robot can also return to its starting point. The localization system can successfully maintain the robot’s heading angle along a circular path.     

融合改进A*与DWA算法的移动机器人路径规划

针对移动机器人在复杂环境下实现全局路径最优、未知环境下动态实时避障这一路径规划需求,对传统A*（A-star）算法进行改进,并融合动态窗口法（DWA）实现动态实时避障。首先分析栅格环境下的障碍物占比,将障碍物占比引入传统A*算法,优化启发函数h(n),从而改进评价函数f(n),提高其在不同环境下的搜索效率;其次针对复杂栅格环境下传统A*算法优化后的轨迹与障碍物顶点相交问题,优化子节点选择方式,同时删除路径中的冗余节点,提高路径的平滑度;最后融合动态窗口法,实现复杂环境下移动机器人的动态实时避障。通过MATLAB下的对比仿真实验表明,改进算法在轨迹长度、轨迹平滑度以及历经时间上得到优化,满足全局最优且能实现动态实时避障,具有更优秀的路径规划效果。     

An autonomous fuzzy mobile robot

Autonomous mobile robots should have the capability of recognizing their environments and manoeuvring through those environments on the basis of their own judgement. Fuzzy control is suitable for autonomous mobile robot control where the amount of information to be handled is limited as much as possible and the processing is simple. Autonomous mobile control of a robot is derived from two kinds of controls: for obstacle avoidance and for guidance following an appropriate path to a destination point. Fuzzy control of a robot for obstacle avoidance based on finding permissible passageways using the edges between the floor and the wall or obstacles obtained by processing the image from a CCD camera in front of the robot is developed. Furthermore, guidance control of the robot over paths that are specified in terms of maps may be developed by a process that treats a wrong path as a virtual obstacle on the screen, and the robot advances in the designated direction when it reaches intersections. An autonomous fuzzy robot based on the above method is fabricated as a trial and its usefulness is demonstrated.     

基于模糊Elman网络算法的移动机器人路径规划分析

为了调正移动机器人避障线路,建立了基于模糊Elman网络算法的移动机器人路径规划模型,并应用进行Matlab仿真分析。利用现有障碍物的距离信息来实现机器人步长的实施可控制与调节,防止移动机器人在做出准确避障行为之后因为没有设定合适的步长而导致撞上障碍物,以0.5作为机器人的最初运动步长。仿真结果表明,采用模糊Elman网络可以获得比其它两种方法更优的路径规划效果,同时对障碍物进行高效避让,由此实现最优的路径规划。采用模糊Elman网络来构建得到的路径规划算法能够满足规划任务的要求,同时还能够根据机器人处于不同工作空间中的情况进行灵活调整。     

模糊控制在移动机器人路径规划中的应用

针对移动机器人最优路径规划问题,设计了一种模糊智能控制方法。利用超声波传感器对机器人周围环境进行探测,得到关于障碍物和目标的信息。通过设计模糊控制器,把得到的障碍与目标位置信息模糊化,建立模糊规则并解模糊最终使机器人可以很好地避障,并且解决了模糊算法存在的死锁问题,从而实现了移动机器人的路径规划。仿真实验结果表明了模糊算法优于人工势场法,具有有效性和可行性。     

基于改进模糊算法的移动机器人避障

为了提高移动机器人在连续障碍物环境下的避障性能,提出了一种具有速度反馈的模糊避障算法。移动机器人利用超声传感器感知周围环境,在模糊控制的基础上通过障碍物分布情况调整自身速度,进而引入优雅降级并把改进的模糊避障融入其中,增强了移动机器人的鲁棒性。实验结果表明,该方法能通过与环境交互调整机器人移动速度,控制机器人成功避障并优化避障路径,具有良好的有效性。     

动态未知环境下一种新的机器人路径规划方法

针对机器人动态路径规划问题,提出了一种机器人在复杂动态环境中实时路径规划方法.该方法基于滚动窗口的路径规划和避障策略,通过设定可视点子目标、绕行障碍物和对动态障碍物的分析预测,实现机器人在复杂动态环境下的路径规划.针对障碍物分布情况,合理设计可视点法和绕行算法之间转换,有效地解决了局部路径规划的死循环与极小值问题.该方...     

基于障碍物运动预测的移动机器人路径规划

针对移动机器人局部动态避障路径规划问题开展优化研究。基于动态障碍物当前历史位置轨迹,提出动态障碍物运动趋势预测算法。在移动机器人的动态避障路径规划过程中,考虑障碍物当前的位置,评估动态障碍物的移动轨迹;提出改进的D*Lite路径规划算法,大幅提升机器人动态避障算法的效率与安全性。搭建仿真验证环境,给出典型的单动态障碍物、多动态障碍物场景,对比验证了避障路径规划算法的有效性。     

一种蚂蚁遗传融合的机器人路径规划新算法

针对栅格法建模的不足,本文研究一种全新的蚂蚁算法与遗传算法融合的机器人路径规划算法.该方法首先用栅格法建立机器人运动空间模型,在此基础上利用蚂蚁算法进行全局搜索得到全局导航路径,然后用遗传算法局部调节全局导航路径上的路径点,得到更优路径.计算机仿真实验表明,即使在复杂的环境下,利用本算法也可以规划出一条全局优化路径,且能安全避障.     

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。     

A genetic approach to motion planning of redundant mobile manipulator systems considering safety and configuration

This article presents a genetic algorithm approach to multi-criteria motion planning of mobile manipulator systems. For mobile robot path planning, traveling distance and path safety are considered. The workspace of a mobile robot is represented as a grid by cell decomposition, and a wave front expansion algorithm is used to build the numerical potential fields for both the goal and the obstacles. For multi-criteria position and configuration optimization of a mobile manipulator, least torque norm, manipulability, torque distribution and obstacle avoidance are considered. The emphasis of the study is placed on using genetic algorithms to search for global optimal solutions and solve the minimax problem for manipulator torque distribution. Various simulation results from two examples show that the proposed genetic algorithm approach performs better than the conventional methods.     

基于向量场的移动机器人动态路径规划

由于简洁、高效等优点,人工势场法已应用于自主移动机器人的在线实时路径规划,并受到广泛关注.目前,人工势场法在处理静态环境、动态匀速环境下的路径规划方面已有许多成果,但是,机器人在全变速环境下进行在线实时路径规划时,会出现路径冗余、避碰不及等现象.为此,将目标关于机器人的相对加速度因素引入引力势场函数中;在斥力势场函数的基础上融合避碰预测、减速避障策略;最终,机器人能够避免大量无谓避障,当与障碍物相对速度较大时能提前避障,且快速跟踪到目标.仿真结果验证了所提方法的有效性.     

穿越稠密障碍物的自适应动态窗口法

针对应用广泛的局部避障算法-----动态窗口法(DWA)穿越稠密障碍物时存在路径不合理、速度和安全性不能兼顾等问题,提出参数自适应的DWA算法,根据机器人与障碍物距离和障碍物的密集度自动调整目标函数中的权值,以自适应环境的动态变化,从而获得移动机器人的最佳运行速度和合理路径.该方法可明显改善机器人穿越稠密障碍物区域时的性能;同时,该方法还可避免机器人从密集障碍物区域外绕行以及轨迹不平滑现象.仿真实验表明:改进的DWA算法在复杂环境中通过逐步优化可使运行轨迹更加合理,能够同时兼顾路径平滑性和安全性;机器人在离稠密障碍物较远处保持高速,通过狭窄通道或者稠密障碍物区域时速度适当降低,安全性更高,实验中总迭代次数和运行时间可缩短20%以上.     

结合光流和人工势场的风管机器人避障方法

风管清扫机器人是一种用来清扫中央空调通风管道内壁的机械手,工作环境恶劣、管道空间障碍复杂。风管清扫机器人的无碰撞运动对于实现其3D非重复接触和高速旋转刷的最优遍历清洗至关重要。以光流密度作为使用避障的光源,结合光流和人工势场法,以光流法进行障碍物检测,人工势场法进行避障规划,提出一种局部路径规划的障碍物检测及避障方法。实验结果表明,斥力势场矢量指向避开障碍物的方向,而且势场主要受障碍物的光流的影响,并由最近的障碍物来确定。通过与平衡策略方法对比,也验证了此方法的有效性。     

动态环境下机器人多目标路径规划蚂蚁算法

研究了一种新颖的动态复杂不确定环境下的机器人多目标路径规划蚂蚁算法。该方法首先根据蚂蚁觅食行为对多个目标点的组合进行优化,规划出一条最优的全局导航路径。在此基础上,机器人按照规划好的目标点访问顺序根据多蚂蚁协作局部路径算法完成局部路径的搜索。机器人每前进一步都实时地进行动态障碍物运动轨迹预测以及碰撞预测,并重新进行避碰局部路径规划。仿真结果表明,即使在障碍物非常复杂的地理环境,用该算法也能使机器人沿一条全局优化的路径安全避碰的遍历各个目标点,效果十分令人满意。     

改进DWA算法的移动机器人避障研究

针对传统动态窗口法（DWA）在稠密障碍物区域存在最优路径难以选取及生成路径不平滑等问题,提出了一种改进的DWA移动机器人避障算法。基于微分流形切向量选取与障碍物不相交的机器人预轨迹,引入障碍物数量因子与方向角变化因子来改进评价函数,提高机器人在障碍物密集区域运行的安全性,使用改进后的评价函数对选取的轨迹进行评价,进而确定最优轨迹对应的速度。通过多组仿真实验对比表明：改进的DWA算法在障碍物密集区域能规划出更合理、平滑的运行路径,在保证了机器人安全性的同时还具有更好的避障效果。     

Optimisation-based verification process of obstacle avoidance systems for unicycle-like mobile robots

This paper presents an optimisation-based verification process for obstacle avoidance systems of a unicycle-like mobile robot. It is a novel approach for the collision avoidance verification process. Local and global optimisation based verification processes are developed to find the worst-case parameters and the worst-case distance between the robot and an obstacle. The kinematic and dynamic model of the unicycle-like mobile robot is first introduced with force and torque as the inputs. The design of the control system is split into two parts. One is velocity and rotation using the robot dynamics, and the other is the incremental motion planning for robot kinematics. The artificial potential field method is chosen as a path planning and obstacle avoidance candidate technique for verification study as it is simple and widely used. Different optimisation algorithms are applied and compared for the purpose of verification. It is shown that even for a simple case study where only mass and inertia variations are considered, a local optimization based verification method may fail to identify the worst case. Two global optimisation methods have been investigated: genetic algorithms (GAs) and GLOBAL algorithms. Both of these methods successfully find the worst case. The verification process confirms that the obstacle avoidance algorithm functions correctly in the presence of all the possible parameter variations.     

基于蚂蚁自动分流的机器人路径规划新算法

在复杂障碍环境下,如何使机器人所走路径最优,一直是机器人路径规划研究领域里的一个研究热点。依据真实蚂蚁具有自动分流功能这一研究成果,提出了一种全新的机器人路径规划蚂蚁算法。该方法首先用栅格法对机器人运动环境进行建模,在此基础上,两组蚂蚁进行相向觅食,当某节点被多只蚂蚁选择时,则自动分流,从而扩大了搜索范围,增强了搜索多样性,有利于获得最优解。计算机仿真实验表明,即使在复杂的环境下,用该算法也可以较迅速的规划出一条全局优化的路径,效果令人满意。