基于新型栅格启发式算法的矿井机器人路径规划

在传统正方形栅格地图中,存在机器人遇到障碍物时沿对角线方向移动易与障碍物碰撞,其绕障和平稳性等方面的能力较差且实时探测过程中每步消耗的时间无法唯一确定等问题。针对上述问题,提出了以正六边形栅格化的工作环境为基础,采用改进的启发式路径搜索算法对多个并行移动的矿井机器人进行路径优化的方法。从绕障转角、绕障能力及最优路径3个方面,对单个机器人在正方形和正六边形栅格建模环境中的运动性能进行比较分析,结果表明:就单个机器人来说,正六边形栅格地图下的路径长度代价小于正方形栅格地图的路径长度代价;从单个机器人的路径规划来看,正六边形栅格地图更有利于获得最短路径,从而得出正六边形栅格比传统正方形栅格更适合于机器人工作环境的建模。针对多个协同操作的机器人并行移动的路径规划问题,在正六边形栅格化的工作空间建模基础上,采用改进的启发式路径搜索算法对多个机器人的路径进行优化:采用改进的启发式估计函数规划多个协同操作的机器人路径,该函数决定了当前机器人所在位置周围所有相邻栅格中哪一个即将被机器人遍历。依据机器人已经遍历的栅格数和候选栅格与该机器人目标栅格之间的变形曼哈顿距离,该启发式估计函数可评估出相邻栅格的适应度值。仿真结果表明:正六边形栅格地图在路径总长及算法运行时间上均比正方形栅格地图减少了10%以上,且有效避免了机器人与静态障碍物之间及机器人之间发生碰撞,提高了机器人的安全性;随着机器人数量的增多,改进的启发式路径搜索算法对正六边形栅格地图的机器人路径和算法运行时间的优化作用更加明显。     

基于生物启发神经网络和DMPC的多机器人协同搜索算法

针对多机器人在未知区域的覆盖搜索问题,提出一种基于生物启发神经网络和分布式模型预测控制(DMPC)的多机器人协同搜索算法.利用栅格地图表示未知区域,基于栅格地图建立生物启发神经网络来表示动态搜索环境,生物启发神经网络中未搜索栅格的神经元活性值大于已搜索栅格和障碍物栅格.在此基础上,为了平衡机器人覆盖搜索过程中的短期收益和长期收益,避免后期陷入局部最优,引入DMPC作为决策方法.选择预测周期内机器人所覆盖栅格的神经元活性值增量作为主要激励函数,引导机器人向未覆盖区域搜索,并采用差分进化算法(DE)进行优化求解,得到最优解.最后通过设计仿真实验验证了所提出方法的有效性和优越性.     

救援机器人搜索目标路径环境快速建模仿真

为了使救援机器人在灾害发生救援过程中更好地了解环境空间信息,规划出一条最优搜索目标路径,提出救援机器人搜索目标路径环境快速建模方法.采用贝叶斯滤波器计算栅格占用率,获得静态、动态地图逆向传感器,使用URG-04LX暗光条件激光雷达,得到不同方向上障碍物位置信息构成的扇形平面,并利用拓扑方法处理地图,准确体现出障碍物位置关系信息,依据基于主动生长的栅格Voronoi图生成现场环境模型.仿真结果表明,利用所提方法设计的实验机器人在行驶的过程中没有碰到任何障碍物,说明上述环境模型对环境区域描述精准度比较高.     

粒子群优化的移动机器人路径规划算法

针对移动机器人在复杂环境下采用传统方法路径规划收敛速度慢和局部最优问题,提出了斥力场下粒子群优化（PSO）的移动机器人路径规划算法。首先采用栅格法对机器人的移动路径进行初步规划,并将栅格法得到的初步路径作为粒子的初始种群,根据障碍物的不同形状和尺寸以及障碍物所占的地图总面积确定栅格粒度的大小,进而对规划路径进行数学建模;然后根据粒子之间的相互协作实现对粒子位置和速度的不断更新;最后采用障碍物斥力势场构造高安全性适应度函数,从而得到一条机器人从初始位置到目标的最优路径。利用Matlab平台对所提算法进行仿真,结果表明,该算法可以实现复杂环境下路径寻优和安全避障;同时还通过对比实验验证了算法收敛速度快,能解决局部最优问题。     

自适应蚁群算法的移动机器人路径规划

针对传统蚁群算法在路径规划中存在收敛速度和寻优能力不平衡，算法易陷入局部最优等问题，提出一种自适应改进蚁群算法。为了提高算法收敛速度，在栅格环境下，根据最优路径的特点以及实际环境地图的基本参数，对初始信息素进行差异化分配；为了提高蚂蚁搜索效率，在状态转移概率中引入转角启发信息并对路径启发信息进行改进；重新制定信息素更新策略，设定迭代阈值，调整信息素挥发系数和信息素浓度，使算法在迭代后期依然具有较强的搜索最优解能力；采用分段三阶贝塞尔曲线对最优路径进行平滑处理以满足机器人实际运动要求。通过实验仿真与其他算法进行对比分析，验证了改进算法的可行性、有效性和优越性。     

改进的势场蚁群算法的移动机器人路径规划

针对蚁群算法路径规划初期信息素浓度差异较小,正反馈作用不明显,路径搜索存在着盲目性、收敛速度相对较慢、易陷入局部最优等情况,人工势场算法的势场力可引导机器人快速朝目标位置前进,提出势场蚁群算法,通过栅格法对机器人的工作环境进行建模,利用人工势场中的势场力、势场力启发信息影响系数及蚁群算法中机器人与目标位置的距离构造综合启发信息,并利用蚁群算法的搜索机制在未知环境中寻找一条最优路径。大量的仿真实验表明势场蚁群算法路径规划能找到更优路径和收敛速度更快。     

基于改进势场蚁群算法的机器人路径规划

提出一种全局静态环境下移动机器人路径规划的改进势场蚁群算法.该算法采用人工势场法求得的初始路径和机器人与下一个节点之间的距离综合构造启发信息,并引入启发信息递减系数,避免了传统蚁群算法由于启发信息误导所致的局部最优问题;依据零点定理, 提出初始信息素不均衡分配原则,不同的栅格位置赋予不同的初始信息素,降低蚁群搜索的盲目性,提高算法的搜索效率;设定迭代阈值,自适应调节信息素挥发系数,使得该算法具有较高的全局搜索能力,避免出现停滞现象.仿真结果验证了所提出算法的可行性和有效性.     

未知环境机器人路径规划环境建模

针对未知环境下机器人路径规划算法存在的运算耗时较高、响应慢等问题，提出一种适用于未知环境信息情况下的动态路径规划方法及规避策略。通常情况，一般机器人主要是设计出最短路径，但本文的机器人的路径要求解决避开障碍物快速到达幸存者位置并给予治疗的优化路径。本文首先提出对栅格法中如何确定栅格大小的方式优化方案；换取滚动窗口算法中的启发式算法，应用改进后的粒子群算法实现局部环境的路径规划；在适应度函数中加入安全因子和平滑因子。机器人在搜索环境中，通过正确的适应度函数，规划一条从起点到目标点的最优路径，采用改进后粒子群算法进行路径规划，机器人可以安全避开所有障碍物。     

煤炭勘探及救援机器人最优路径规划研究

为了解决三维环境中的煤炭勘探及救援机器人路径规划问题,提出了一种基于改进蚁群算法的煤炭勘探及救援机器人最优路径规划方法。利用栅格法创建了三维空间环境模型,建立了煤炭勘探及救援机器人的路径规划目标函数;通过引入新的启发函数因子、节点随机选择机制、局部更新和全局更新相结合的策略分别对算法的节点转移概率设计、节点选择策略和信息素更新策略进行了优化改进。Matlab仿真结果表明,在三维空间环境模型中,传统蚁群算法和改进蚁群算法均能为煤炭勘探及救援机器人搜索出一条最优路径;在不同任务要求下,改进蚁群算法能有效缩短搜索路径长度和降低路径搜索时间,且具有较强的决策能力和较好的收敛性能。     

移动机器人全覆盖信度函数路径规划算法

针对移动机器人全覆盖路径规划问题,给出一种基于栅格信度函数的全覆盖路径规划算法。目的是为了控制移动机器人能够遍历工作区域中所有的可到达点,同时保证能够自动避开障碍物。首先,根据环境的信息对栅格地图进行赋值,使用不同的函数值表示障碍物、已覆盖栅格和未覆盖栅格;其次,判断机器人是否陷入死区引入不同方向信度函数,对栅格函数值进行调整;最后,机器人根据栅格信度函数值规划覆盖路径。本文所提及的算法不仅能够引导移动机器人实现工作区域的全覆盖而且能够快速逃离死区,实现覆盖路径的低重复率。仿真实验中,通过与生物启发神经网络算法的比较,证明本文提及算法有更高的覆盖效率。     

基于粒子群并行优化的煤矿井下机器人路径规划

路径规划是煤矿井下搜救探测机器人自主导航的关键步骤,矿井是三维的非机构化的环境,机器人行走过程应该具有高度智能的路径规划,传统的自适应能力与处理非线性的问题能力较差,路径规划误差较大,提出基于粒子群并行优化的煤矿井下机器人路径规划方法,充分考虑井下的环境高低变化,采用栅格法对环境建模,将粒子群独立分布在不同容器中分别进行路径建模,不同容器中粒子分别进行优化操作;因为速度和最优子群被分别保留,在机器人路径规划实验阶段,路径规划的时间较传统方法降低20%,避障成功率高达95%,最优路径的出现概率能保持在99%,这种方法具有很强的指导性与实用价值。     

改进的蚁群算法在机器人路径规划上的应用

为了克服传统蚁群算法易陷入局部最优且收敛速度慢的影响,采用栅格地图建立机器人实验环境仿真模型。针对蚁群算法进行改进并将其应用到机器人路径规划上。考虑到从路径规划起点到目标点的方向性、前期存在的易陷入局部最优解以及蚂蚁收敛速度的问题,提出了添加双向搜索方向机制和比例系数引导因子的启发函数,避免了算法在搜索过程中选择与终点方向相背的区域行走或者走回路的弊端。根据不同路段被选择次数不同,设置不同信息素权重,强化了不同路段的重要性,加快算法收敛速度。在matlab软件平台上进行算法仿真,仿真结果验证了该方法的有效性。     

改进A~*蚁群算法求解机器人路径规划问题

针对蚁群算法收敛速度慢、效率低以及易陷入局部最优的一系列问题,提出改进的A~*蚁群算法。为降低蚁群死锁、停滞的概率,先将栅格地图进行处理。其次为了提高蚁群的效率,引进A~*算法确定蚁群的初始信息素,同时改进蚁群信息素更新方式,从而提高算法的收敛速度;针对局部最优的问题,提出将蚁群中的启发函数进行改进,不仅考虑到可行栅格中的最短距离,还考虑到目标点的位置,并且引入简化算子对蚁群的路径进行优化。通过4组仿真对比,改进的A~*蚁群算法效果显著。     

无人仓多搬运机器人协同作业轨迹自动控制研究

由于无人仓多搬运机器人协同作业线路较为复杂,导致协同作业轨迹控制难度增加,为了保证多搬运机器人能够按照规划路线执行搬运作业,提出了无人仓多搬运机器人协同作业轨迹自动控制方法;采用栅格图建模法,结合无人仓内货架的实际分布情况,建立无人仓环境场景;从组成结构、运动学以及动力学3个方面,构建搬运机器人的数学模型;遵循就近原则分配多机器人搬运任务,规划多搬运机器人的协同作业轨迹,根据多搬运机器人实时位姿的自动检测结果计算控制量,利用作业轨迹自动控制器的安装与运行,完成无人仓多搬运机器人协同作业轨迹的自动控制任务;实验结果表明,在该方法应用后,多搬运机器人在无人仓中的作业轨迹与规划轨迹基本相同,计算得出的平均位置控制误差和姿态角控制误差分别为2.27 cm和0.05°,搬运机器人的碰撞次数能被控制在规定范围内,实际应用效果好。     

基于滚动优化和分散捕食者猎物模型的全覆盖路径规划算法

针对多机器人执行全覆盖任务效果差的问题,提出一种基于滚动优化和分散捕食者猎物模型的多机器人全覆盖路径规划算法.首先,利用栅格地图表示作业的环境空间,并基于栅格地图修正捕食者猎物算法中的避开捕食者奖励,添加移动代价奖励和死区回溯机制构建分散捕食者猎物模型;然后,引入滚动优化方法,避免机器人陷入局部最优,预测周期内机器人覆盖栅格的累计奖励值作为适应度函数,并使用鲸鱼优化算法(WOA)求解最优移动序列;最后,在不同环境下进行仿真实验,得到的平均路径长度与生物激励神经网络算法(BINN)和牛耕式A*算法(BA*)相比分别减少了16.69%sim17.33%、10.32%sim20.03%,验证了所提出算法在多机器人全覆盖路径规划中的可行性和有效性.     

基于生物启发模型的AUV三维自主路径规划与安全避障算法

针对自治水下机器人(AUV)的路径规划问题,在三维栅格地图的基础上,给出一种基于生物启发模型的三维路径规划和安全避障算法. 首先建立三维生物启发神经网络模型,利用此模型表示AUV的三维工作环境,神经网络中的每一个神经元与栅格地图中的位置单元一一对应;然后,根据神经网络中神经元的活性输出值分布情况自主规划AUV的运动路径.静态环境与动态环境下仿真实验结果表明了生物启发模型在AUV三维水下环境中路径规划和安全避障上的有效性.     

煤矿井下探测搜救机器人地形感知系统及路径规划方法研究

针对常规机器人导航系统采用单一类型地形识别传感器,观察维度单一等问题,对煤矿井下探测搜救机器人地形感知系统进行研究,使用远近感知系统数据融合,提高机器人避障能力。由激光扫描仪采集的二维点云数据建立远距离地形信息,由Kinect相机采集的地形深度信息建立近距离地形信息。基于PCL模型,应用像素遍方法,实现观测信息的采集与云图像的构建。使用2.5维栅格地图构建方法得到近距离环境地形信息。使用Dijkstra算法进行了路径规划研究,建立了融合路径长度和地面危险度等级的目标函数。通过仿真研究验证了本文提出的最优路径减小机器人行走过程的俯仰角、侧倾角的波动幅度。     

栅格地图中多机器人协作搜索目标

目标搜索是多机器人领域的一个挑战.本文针对栅格地图中多机器人目标搜索算法进行研究.首先,利用Dempster-Shafer证据理论将声纳传感器获取的环境信息进行融合,构建搜索环境的栅格地图.然后,基于栅格地图建立生物启发神经网络用于表示动态的环境.在生物启发神经网络中,目标通过神经元的活性值全局的吸引机器人.同时,障碍物通过神经元活性值局部的排斥机器人,避免与其相撞.最后,机器人根据梯度递减原则自动的规划出搜索路径.仿真和实验结果显示本文提及的算法能够实现栅格地图中静态目标和动态目标的搜索.与其他搜索算法比较,本文所提及的目标搜索算法有更高的效率和适用性.     

一种栅格模型下机器人路径规划的改进蚁群算法

提出了一种静态环境下机器人路径规划的改进蚁群算法。该算法使用栅格法对机器人的工作空间进行建模,通过模拟蚂蚁的觅食行为,采用折返的迭代方式对目标进行搜索。在搜索过程中,以移动方向一定范围内最大信息素和目标引导函数作为启发式因子。此外,根据蚁群算法处理本问题时信息素散播的特点,重构了信息素的更新策略和散播方式。仿真实验结果表明,这些改进措施使最优路径的寻找快速而高效,即使在障碍物非常复杂的环境下,也能迅速地规划出一条最优路径。     

基于栅格模型机器人路径规划的改进蚁群算法

提出了一种静态环境下机器人路径规划的改进蚁群算法.该算法使用栅格法对机器人的工作空间进行建模,通过模拟蚂蚁的觅食行为,采用折返的迭代方式对目标进行搜索;在搜索过程中,以移动方向一定范围内最大信息素和目标引导函数作为启发式因子;此外,根据蚁群算法处理本问题时信息素散播的特点,重构了信息素的更新策略和散播方式.仿真试验结果表明,改进措施使最优路径的寻找快速而高效,即使在障碍物非常复杂的环境下,算法也能迅速地规划出一条最优路径.