一种基于效益的多机器人避碰协调策略

多移动机器人系统在完成同时定位和地图构建SLAM任务时,机器人之间常常存在相互碰撞的问题,而这种碰撞的避免又不同于一般的避障,因为避障问题中的障碍物一般是不动的。为了解决机器人之间的避碰问题,提出了一种基于效益的多机器人避碰协调策略。该策略以提高多机器人系统探索效率为主,确定机器人通过交叉路口的顺序。同时考虑了动态协调避碰的情况,给出了确定机器人通过交叉路口顺序的算法。通过机器人在交叉路口实现避碰协调算法的仿真示例,对该方法的避碰协调过程进行了说明,并对仿真结果进行了分析,同时对仿真中机器人和目标位置的空间关系给出了合理的假设。     

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。     

装配机器人系统快速碰撞检测算法

提出一种面向操作手段装配系统的快速碰撞检测算法。该算法以机器人运动学和空间解析几何为基础,将判断机械手手臂与障碍物是否发生碰撞问题转化为直线段与有界平面是否存在公共点的简单解析几何问题,并以PUMA560操作手为例对算法加以说明,该算法不仅适用于静态的障碍物已知的环境,而且适用于障碍物运动规律已知的动态环境,减少了碰撞检测占用的时间,提高了路径规划的效率。     

融合动态障碍物运动信息的路径规划算法

传统的路径规划算法只能在障碍物不发生位置变化的环境中计算最优路径。但是随着机器人在商场、医院、银行等动态环境下的普及,传统的路径规划算法容易与动态障碍物发生碰撞等危险。因此,关于随机动态障碍物条件下的机器人路径规划算法需要得到进一步改善。为了解决在动态环境下的机器人路径规划问题,提出了一种融合机器人与障碍物运动信息的改进动态窗口法来解决机器人在动态环境下的局部路径规划问题,并且与优化A*算法相结合来实现全局最优路径规划。主要内容体现为：在全局路径规划上,采用优化A*算法求解最优路径。在局部路径规划上,以动态障碍物的速度作为先验信息,通过对传统动态窗口法的评价函数进行扩展,实现机器人在动态环境下的自主智能避障。实验证明,该算法可以实现基于全局最优路径的实时动态避障,具体表现为可以在不干涉动态障碍物的条件下减少碰撞风险、做出智能避障且路径更加平滑、长度更短、行驶速度更快。     

动态环境中服务机器人的改进型地图学习规划

针对室内服务机器人进行服务工作时需要躲避碰撞和抵达目标点的功能需求,本文提出了一种改进型地图学习路径规划算法.在地图学习规划算法的基础上,该算法首先约定了移动机器人的非完整性,使规划具有更高的可行性.然后改进了障碍物的影响方式,令已探测到的障碍物仅对已知区域产生作用,从而减少未知区域对路径选择的影响.接着,优化了地图学习算法中的随机选点策略,即若目标点出现在探测范围内时则令目标点作为初始选取点,解决了地图学习规划在临近目标点时收敛性不佳问题.并设计自适应速度移动策略以进一步提高算法的收敛性能和机器人的规划效率.最后,仿真及实验结果表明改进型地图学习路径规划算法相比于传统地图学习算法具有更好的规划效率和目标收敛能力.     

足球机器人动态路径规划方法研究

针对机器人足球系统的高度实时性、不确定性,提出了一种基于统计预测的路径规划方法,该方法考虑到障碍物的速度大小和方向的不确定性,用数学统计的方法对障碍物的运动进行建模;机器人在运动过程中,根据得到的环境信息在机器视觉范围内建立预测窗口和避障窗口,在预测窗口内,机器人根据障碍物的信息建立障碍物的预测区域,在避障窗口内,机器人根据自身的位置与障碍物的预测区域,分别调用切线法或滚动窗口法进行路径规划;该方法属于局部路径规划方法,机器人在移动过程中需要不断更新环境信息来进行避障.     

基于遗传算法和B 样条曲线的平滑避障路径规划

传统的避障路径规划中常常存在不连续点,提出一种新的平滑避障路径规划的方法—遗传算法和B样条曲线法。首先,先通过碰撞侦测,能够侦测出前进路径中的障碍物,然后通过遗传算法再结合B样条曲线规划出平滑的避障路径。该算法可以避免运动过程因打滑而造成与目标位置的误差,解决机器人在静态环境中全局、局部路径规划和规划路径中存在不连续点的问题。仿真和实验结果证明了算法的有效性。     

Optimal and suboptimal motion planning for collision avoidance of mobile robots in non-stationary environments

An optimal control formulation of the problem of collision avoidance of mobile robots moving in terrains containingmoving obstacles is presented. A dynamic model of the mobile robot and the dynamic constraints are derived. Collision avoidance is guaranteed if the minimum distance between the robot and the objects is nonzero. A nominal trajectory is assumed to be known from off-line planning. The main idea is to change the velocity along the nominal trajectory so that collisions are avoided. Furthermore, time consistency with the nominal plan is desirable. Two solutions are obtained: (1) A numerical solution of the optimization problem and a perturbation type of control to update the optimal plan and (2) A computationally efficient method giving near optimal solutions. Simulation results verify the value of the proposed strategies and allow for comparisons.     

Planning collision-free trajectories in time-varying environments: a two-level hierarchy

We propose a two-level hierarchy for planning collision-free trajectories in time varying environments. Global geometric algorithms for trajectory planning are used in conjunction with a local avoidance strategy. Simulations have been developed for a mobile robot in the plane among stationary and moving obstacles. Essentially, the robot has a global geometric planner that provides a coarse global trajectory (the path and velocity along it), which may be locally modified by the low-level local avoidance module if local sensors detect any obstacles in the vicinity of the robot. This hierarchy makes effective use of the complementary aspects of the global trajectory planning approaches and the local obstacle avoidance approaches.     

基于预测窗的轮式移动机器人最优避障避碰算法

针对非线性轮式移动机器人的避障以及多机器人间的相互避碰问题,提出了一种基于预测窗的避障避碰算法.首先为了便于预测碰撞的发生,通过反馈线性化将非线性的机器人运动学模型转化成线性模型;然后根据线性模型预测会导致机器人发生碰撞的所有相对虚拟加速度变化量集合,称之为加速度变化障碍.基于此,为每个机器人构造既能躲避障碍物又能相互避碰的可行加速度变化集合.然后通过优化指标函数求得最优虚拟加速度变化量,最后将其转换成机器人的实际控制量.这种算法与现有的相比,可使机器人在避障或避碰过程中的行驶方向角、线速度的变化幅值更小,角速度和线加速度的变化更为平顺,而且运行所用的平均时间更短.仿真结果演示了所提出算法的有效性和相对于已有方法的优势.     

六轴工业机器人先验引导RRT*避障轨迹算法研究

针对六轴工业机器人装配避障路径运动问题,研究了机器人整体避障运动路径规划方法,提出一种RRT*改进算法;算法以RRT*算法为基础,在障碍物建模中引入包围盒算法,加入对机器人各轴与障碍物的碰撞检测;在路径规划中加入对随机点生成方向与树枝生长方向的先验引导机制,优化了算法路径长度与路径搜寻效率;通过Matlab进行了试验验证,结果表明与标准RRT*算法相比,先验引导RRT*算法缩短路径长度14%左右,且满足机器人末端路径与手臂各轴的避障需求。     

基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划研究

无人机在进行山地航测时,经常遭遇鸟类等动态障碍,若不能及时规避掉障碍,极容易发生坠机事故。为此,研究一种基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划方法。基于山地环境模型,结合飞行路径长度、路径平滑度建立一个综合目标函数并利用改进布谷鸟搜索算法求解,得到无人机山地航测的初始路径。对图像进行预处理后,识别无人机初始路径飞行过程中遇到的障碍物,并通过超声波测量无人机与障碍物之间的距离,以此建立速度障碍模型,实现速度障碍碰撞分析,通过滚动窗口的方式确定无人机与障碍物是否存在飞行冲突。基于滚动速度障碍避障方法实现滚动角度避障和速度避障,获取最终的优化路径,完成基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划。测试结果表明:航测避障路径长度为571.45m,平滑度为165.52,规划的方案更具合理性。     

基于速度变化空间的移动机器人动态避碰规划

研究了移动机器人对运动障碍物的动态避碰．针对以往速度障碍法在动态避碰应用中存在的问题,制 订了相应的改进方法．综合考虑障碍物速度的动态变化和碰撞时间、碰撞距离,在速度变化空间中,基于避碰行为 动力学原理,设计了新的优化评价函数,采用双障碍物检测窗口进行动态避碰规划．仿真实验表明,该方法有效地 克服了避碰规划的保守性,提高了机器人运动的安全性,并能实现对运动目标的及时追踪．     

An online collision-free trajectory generation algorithm for human–robot collaboration

The premise of human–robot collaboration is that robots have adaptive trajectory planning strategies in hybrid work cell. The aim of this paper is to propose a new online collision avoidance trajectory planning algorithm for moderate dynamic environments to insure human safety when sharing collaborative tasks. The algorithm contains two parts: trajectory generation and local optimization. Firstly, based on empirical Dirichlet Process Gaussian Mixture Model (DPGMM) distribution learning, a neural network trajectory planner called Collaborative Waypoint Planning network (CWP-net) is proposed to generate all key waypoints required for dynamic obstacle avoidance in joint space according to environmental inputs. These points are used to generate quintic spline smooth motion trajectories with velocity and acceleration constraints. Secondly, we present an improved Stochastic Trajectory Optimization for Motion Planning (STOMP) algorithm which locally optimizes the generated trajectories of CWP-net by constraining the trajectory optimization range and direction through the DPGMM model. Simulations and real experiments from an industrial use case of human–robot collaboration in the field of aircraft assembly testing show that the proposed algorithm can smoothly adjust the nominal path online and effectively avoid collisions during the collaboration.     

栅格地图环境下机器人速度势实时路径规划

针对智能制造工程环境中移动机器人的自动避障问题,提出一种基于栅格地图的移动机器人速度势实时避障路径规划方法。利用栅格法二值化移动机器人的工作场景,从机器人中心出发向不同方向进行栅格搜索。基于障碍物对移动机器人有排斥作用以及目标点对机器人有吸引作用的思想,通过栅格数的累加计算机器人到障碍物之间的实时距离,并以此为参数,考虑障碍物的形状、最小安全距离等因素的影响来建立负的速度增量函数;以机器人当前位置与目标点的实时距离和角度为参数建立正向速度增量函数。进而在机器人运动学模型基础上,定义速度势函数来对移动机器人进行实时速度驱动。通过设置最小速度增量,避免在零势点处的局部极小点问题;通过设立距离阈值,避免在目标点附近速度增量趋于无穷的问题。通过仿真对所提出的算法进行验证。     

多仓储机器人协同路径规划与作业避碰

针对多仓储移动机器人协同作业问题,提出了一种基于全局规划和局部调整的路径规划方法,以获得较短、无碰、避障的可行路径.在路径规划时根据当前节点到终点的距离和局部路径与起点至终点的欧氏路径的夹角设计新启发式函数,驱使机器人沿最短路行进;根据可选节点的数量提出避障规则,提高避障能力;依据路径长度对信息素进行比较更新,以精炼搜索空间、提高收敛性能,对蚁群算法加以改进寻找各自最优路径.在作业避碰时设计避碰规则有效解决仓储机器人间作业碰撞,找到最优或近优路径组合.实验结果表明了本方法的可行性、有效性.     

动态未知环境下基于相对坐标系的移动机器人实时运动规划

提出了一种简单、新颖的在动态未知环境下的移动机器人运动规划方法 .此方法基于相对坐标系 ,通过传感器信息实时调整机器人的行为来实现规划 .在规划过程中 ,机器人有两种行为 :向目标运动和避碰 ,且避碰行为具有优先权 .机器人两种行为的切换是基于加速度空间的 ,首先解决的是避碰问题 ,而向目标运动是作为避碰的反问题来考虑的 .仿真研究验证了此规划方法的有效性     

Trajectory time scaling of a mobile robot to avoid dynamic obstacles on the basis of the INLVO

To ensure the collision safety of mobile robots, the velocity of dynamic obstacles should be considered while planning the robot’s trajectory for high-speed navigation tasks. A planning scheme that computes the collision avoidance trajectory by assuming static obstacles may result in obstacle collisions owing to the relative velocities of dynamic obstacles. This article proposes a trajectory time-scaling scheme that considers the velocities of dynamic obstacles. The proposed inverse nonlinear velocity obstacle (INLVO) is used to compute the nonlinear velocity obstacle based on the known trajectory of the mobile robot. The INLVO can be used to obtain the boundary conditions required to avoid a dynamic obstacle. The simulation results showed that the proposed scheme can deal with typical collision states within a short period of time. The proposed scheme is advantageous because it can be applied to conventional trajectory planning schemes without high computational costs. In addition, the proposed scheme for avoiding dynamic obstacles can be used without an accurate prediction of the obstacle trajectories owing to the fast generation of the time-scaling trajectory.     

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.     

基于规则的移动机器人实时运动规划

研究移动机器人在动态环境中的导航与避障问题。为提高规划的实时性,提出了基于规则的规划方法,将多移动障碍环境机器人的运动规划分解为相对简单的单移动障碍运动规划,利用最优控制来实现单障碍的最优避障,并用智能搜索方法解决了移动机器人在多移动障碍环境中的实时运动规划问题。仿真实例表明了该方法的有效性。