[發明專利]基于貝塞爾曲線的機器人路徑規劃方法及裝置

有效

• 申請號: 201010139091.9
• 申請日: 2010-03-31
• 公開（公告）號: CN102207736A
• 公開（公告）日: 2011-10-05
• 發明（設計）人: 王碩;譚民;胡峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: G05D1/00
• 分類號: G05D1/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 梁愛榮

技術領域

本發明屬于機器人路徑規劃算法研究，屬于復雜系統與智能控制領域。該發明可以用于地面移動機器人、水下航行器控制以及無人機控制等領域。

背景技術

機器人技術的研究越來越熱門，越來越多的科研工作者展開了機器人路徑規劃的研究。

機器人路徑規劃的方法有很多，主要有基于行為的方法、遺傳算法、神經網絡等方法。鮑爾奇(Balch)與阿金(Arkin)提出了將行為的控制方法用于機器人路徑規劃與控制，引入了一些基本行為，包括避障、避碰和目標導航等。荷蘭德(Holland)提出了遺傳算法的方法，該算法基本思想是以自然遺傳機制和自然選擇等生物進化理論為基礎，構造的一類隨機優化搜索算法，很多學者利用該算法實現路徑規劃。斯坦福大學的尼爾森(Nilsson)提出可視圖法，這種方法能完成最短路徑的搜索，但并沒有考慮到機器人本身的形狀、大小，且隨著障礙物的增多，或障礙物的不規則性而導致圖中的頂點集過大，計算復雜性隨之增加，搜索時間長。在可視圖法的基礎上進行了改進的沃羅諾伊(Voronoi)圖法，基本思想是首先產生與障礙物多邊形所有的邊等距離的沃羅諾伊(Voronoi)邊，并將所有沃羅諾伊(Voronoi)邊的交點組成頂點集，再通過可視圖類似的搜索最短路徑邊的方法來規劃路徑。模糊邏輯算法是對經典的二值邏輯的模糊化，模糊邏輯具有的魯棒性與“感知一動作”行為結合起來，為移動機器人路徑規劃問題提出了一種新思路，利用模糊邏輯進行路徑規劃，解決了傳統人工勢場法中局部極小的問題，利用該算法對所處環境信息的模糊化過程，避開了傳統算法中對移動機器人定位精度要求高的約束。目前對于機器人路徑規劃的方法很多，但是對于路徑上各點處如何處理并滿足速度約束、加速度約束、轉彎半徑約束等約束條件保證機器人規劃路徑可行則很少有詳細的介紹。

機器人路徑規劃算法主要是規劃出路徑，并解決路徑的可行性問題，即滿足機器人的物理性能上的各種約束以及避碰、避障約束等。

發明內容

為了解決多約束情況下的機器人路徑規劃問題，本發明的目的是提出一種機器人路徑規劃算法，該算法能夠為機器人規劃無障礙條件下連續可行的路徑，解決機器人的各種物理約束條件。為此，本發明提出了一種基于貝塞爾曲線的機器人路徑規劃方法。

為達成所述目的，本發明的第一方面是提供一種基于貝塞爾(Bezier)曲線的機器人路徑規劃方法，該機器人路徑規劃方法的步驟如下：

步驟S1：機器人路徑規劃參數輸入單元設定機器人狀態參數和約束條件、路徑離散化最小時間分辨率；

步驟S2：機器人路徑生成單元依據機器人狀態參數生成一組由四個4維向量組成的貝塞爾曲線控制點P₁、P₂、P₃和P₄，規劃出機器人起點位置到目標點位置的連續路徑；其中4維向量由空間三維坐標和一維時間坐標組成；規劃的路徑也由包含空間三維坐標和一維時間坐標的4維坐標描述；

步驟S3：路徑點參數計算單元按路徑離散化最小時間分辨率形成時間點序列，再依據連續路徑計算離散化路徑，即計算各時間點處路徑點坐標、速度、加速度和轉彎半徑；

步驟S4：路徑點參數檢測單元依據約束條件檢測與時間點相應的各路徑點處的速度、加速度、轉彎半徑是否滿足約束條件，如果不滿足約束條件，則跳轉至步驟S2，重新生成控制點；如果滿足約束條件，則跳轉至步驟S5；

步驟S5：規劃路徑輸出單元輸出規劃的滿足約束條件的機器人路徑。