不同优先级的多水下机器人避碰技术研究

在多水下机器人之间显式通讯条件下,采用动态优先级策略成功地解决了水下机器人编队航行过程中的避碰避障问题。并建立了环境仿真器,进行了多水下机器人协调避碰仿真实验,取得了良好的效果,验证了算法的有效性。     

基于环境预测的步进式运动协调策略

为了解决未知动态环境下的多机器人系统的路径规划问题,在改进的势场栅格法的基础上,提出了一种基于环境预测的步进式多机器人运动协调策略。针对机器人躲避移动障碍物的避障运动和机器人之间避碰运动的不同,分别提出了协调策略Ⅰ和协调策略Ⅱ。为了验证协调策略的有效性,将该方法用于多机器人系统的路径规划中,并利用Visual C++进行仿真。仿真结果表明,用该方法进行路径规划是可行的和有效的,并且算法简单、计算量小。     

基于改进人工势场法的多机器人编队避障

为解决多机器人系统在编队过程中的避障以及成员之间避碰问题,提出了基于改进人工势场(IAPF)的避障以及基于一致性的编队控制方法。为分析机器人的运动学,建立了数学模型,构造了运动态势感知图(MSAM),使机器人能够更好地感知周围环境信息以做出最佳决策;为解决人工势场法中的局部最小值与目标不可达(GNRON)问题,建立了旋转势场;为避免机器人之间的碰撞,设定了排斥势函数与机器人优先级模型。使用基于一致性的编队原理,设计稳定的拓扑结构,对多机器人进行编队控制。为证明所提算法的有效性,设计了一系列的仿真实验,最终证得该方法可有效解决多机器人系统在编队过程中的避障以及避碰问题。     

基于改进速度障碍法的多机器人避碰规划算法

针对多移动机器人运动协调中的动态安全避碰问题,在分析速度障碍法原理的基础上,设计用于机器人之间相互避让的互动速度法则,并通过制定机器人的碰撞时间、碰撞距离因子对构型障碍的大小进行实时调整,把运动障碍物、动力学约束下的多步可达窗口、目标点都映射到一种速度变化空间当中,使多机器人的动态避碰问题转化为一种最优化问题,并构造了新的优化评价函数;设计了基于改进速度障碍法的机器人动态避碰规划算法。仿真实验表明,该方法有效地克服了碰撞冲突,实现了多机器人之间的运动协调控制,提高了机器人追踪运动目标的快速性。     

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.     

基于人工协调场的多移动机器人实时协调避碰规划

为克服传统人工势场在动态未知环境下机器人避碰规划中存在的缺陷,提出人工协调场法(ACF).将场函数与机器人的风险状态相结合,给出并讨论了人工协调场的基本设计.基于人工协调场,考虑机器人的运动约束,实现了多机器人之间以及机器人与环境间的实时协调避碰,提出了一个多移动机器人无死锁实时避碰规划算法.理论分析和仿真试验证明所提方法的有效性.     

基于简化虚拟受力模型的群机器人多目标搜索协调控制

针对未知凸和非凸障碍物以及动态障碍物环境下群机器人多目标搜索问题,提出了一种基于简化虚拟受力分析模型的循障和避碰方法(SRSMT-SVF).对复杂环境下群机器人多目标搜索行为进行了分解并抽象出简化虚拟受力分析模型.基于此受力模型,设计了个体机器人协同搜索和漫游状态下的运动控制策略,使得机器人在搜索目标的同时能够实时避碰.通过对不同群体规模系统的仿真实验表明,本文控制方法能够使个体机器人在整个搜索过程中保持良好的避碰性能,有效地减少系统与环境之间和系统内部个体之间的碰撞冲突.相比于扩展粒子群算法(EPSO),本文方法使得搜索耗时和系统能耗至少减少了13.78%、11.96%,数值仿真结果验证了本文方法的有效性.     

中医按摩机器人双臂推拿过程的避碰控制

讨论了中医按摩机器人的双臂协调运动控制问题.根据机械臂的结构特点,将空间避碰问题转化为平面内的避碰问题,对按摩机器人双臂推拿过程中可能发生的碰撞情况进行了分析.利用平面几何方法,对机器人双臂协调推拿过程进行了避碰规划,设计出一套双臂协调运动控制策略.利用MATLAB对双臂的避碰情况进行了运动学仿真,仿真结果表明本文中设计的方法可以有效的实现双臂在推拿过程中的协调运动.     

未知环境下分布式多机器人避碰协作算法

针对多机器人协作问题,提出一种未知环境下分布式多机器人协作避碰算法。该算法基于分布式投标模型协调多机器人运动,改进过去算法的前提假设,综合考虑机器人的实际尺寸和传感误差,通过自适应设定投标时间,提高算法的效率,针对通信延时引起的信息不一致,采用按优先级顺序进行探测的方法。仿真实验验证了该算法的可行性。     

一种六自由度机械臂避障算法研究

文章首先分析了六自由度机械臂的特点,针对单个障碍物的避碰问题进行建模;接着设计了机器人避障的通用算法,利用该算法很好地解决了机器人的机械臂避碰问题,使机器人有效避障且完成任务.     

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.     

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。     

基于BP神经网络的移动机器人避障设计及仿真

为了解决移动机器人在复杂环境中如何高效精确地躲避障碍物的问题,提出了一种基于BP神经网络的避障方法。建立了机器人的避障运动模型并设计了神经网络避障控制系统;分析了机器人在运动过程中与障碍物的位置关系,使用超声波传感器采集距离信息,进行BP神经网络输入、输出训练并采用Matlab工具进行仿真试验。结果表明,该方法可以高效精确地实现移动机器人的自主避障,运行相对稳定、轨迹连续平滑,达到了较为理想的避障效果。验证了方法的可行性和有效性,为移动机器人自主避障提供了一种新的控制方法。     

异构多目标差分-动态窗口算法 及其在移动机器人中的应用

为了实现在多移动机器人和多窄通道的复杂动态环境中机器人的节能运动规划,提出异构多目标差分-动态窗口法(heterogeneous multi-objective differential evolution-dynamic window algorithm,HMODE-DWA).首先,建立行驶时间、执行器作用力和平滑度的3目标优化模型,设计具有碰撞约束的异构多目标差分进化算法来获得3个目标函数的最优解,进而在已知的静态环境中获得帕累托前沿,利用平均隶属度函数获得起点与终点间最优的全局路径;其次,定义基于环境缓冲区域的模糊动态窗口法使机器人完成动态复杂环境中避障,利用所提出的HMODE-DWA算法动态避障的同时实现节能规划.仿真和实验结果表明,所提出的混合路径规划控制策略能够有效降低移动机器人动态避障过程中的能耗.     

移动机器人避障行为酶数值膜控制器

为了兼顾膜控制器控制下的移动机器人行走速度和避障效果,提出了一种基于酶数值膜系统的自适应巡航速度避障控制方法.该方法采用酶数值膜系统结构,利用膜之间的信息交流,实现多个膜融合多个传感器的距离信息,根据融合距离信息自适应调节巡航速度,使移动机器人能够有效的避开障碍物,同时兼顾无障碍物时移动机器人行走速度.基于移动机器人Pioneer3-DX的仿真和实物实验表明：该方法设计的酶数值膜控制器可行且避障控制效果更优.     

基于多参数优化的多机器人图案构成的分配算法

在不同应用场景下多机器人系统的图案构成受到越来越多的关注,然而现有方法不能有效地优化在障碍物环境中的图案在线自主构成.为解决这一问题,提出一种新的基于目标匹配和路径优化的实时在线的优化算法.首先,以机器人与虚拟期望图案的距离为目标函数,建立一个多参数的图案构成模型,进而在一定的约束条件下求解得到最优的期望图案参数;其次,建立迭代控制器,使机器人在向目标点移动的过程中,可以实时在线地进行机器人与目标点的分配;然后,采用最佳避碰速度算法使机器人无碰撞地到达期望图案的目标点,完成图案构成;最后,通过在MATLAB和V-REP中的仿真实验,验证所提出方法的正确性和有效性.     

基于几何法的移动机器人路径规划

旨在解决动态环境中移动机器人与障碍物发生碰撞可能性的判断和避开障碍的路径规划。提出了采用几何计算的方法判断机器人和障碍物之间发生碰撞的条件,规划出机器人沿着收敛曲线运动到安全圆周,在安全圆周上作动态圆周运动,最后沿着圆弧退出圆周到达预定的避障路径。将基本的避开障碍的理论和几何算法有机地结合起来,获得了光滑的路径,提高了机器人避开障碍的效率。     

一种用于群体模拟的分层次避障法

个体避障是实现基于主体的(agent-based)群体模拟中一个很重要的问题,为了实现个体间以及个体和环境间的碰撞避免并杜绝穿透,人们提出了大量避障方法.但是,这些方法面临的挑战在于:如何杜绝穿透现象并最大程度地减少由于避障需求而带来的个体行为模拟上的空间限制和失真.针对这一问题,提出了一种分层次避障方法,从静态避障、动态避障、穿透矫正3个不同的层次对避障进行处理.静态避障层和动态避障层通过对物体的划分和分别避障,极大地减少了各层次避障时需要考虑的各种复杂情形;而基于可变包围盒和原位置的穿透矫正层则有效地杜绝了模拟中出现的穿透现象,也消除了现有模拟中由于避免穿透而引入的空间限制和失真.     

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。     

Application of distributed predictive control to motion and coordination problems for unicycle autonomous robots

This paper presents a Distributed Predictive Control (DPC) approach for the solution of a number of motion and coordination problems for autonomous robots. The proposed scheme is characterized by a multilayer structure: at the higher layer the reference trajectories of the robots are computed as the solution of suitable optimization problems. It is shown that, at this level, the definition of the cost function to be minimized allows to consider many different problems, such as formation control, coverage and optimal sensing, containment control, inter-robot and obstacle collision avoidance, and patrolling in an unknown environment. At the lower layers of the control structure, proper state and control reference trajectories are defined and a robust Model Predictive Control (MPC) problem is solved by each robot. To reduce the computational burden required by the algorithm, collision and obstacle avoidance constraints are reformulated in linear terms, so that the optimization problem to be solved on-line is a Quadratic Programming (QP) one. A number of experimental and simulation results are reported to witness the flexibility and performances of the method.