[發(fā)明專利]面向混合地形區(qū)域不確定環(huán)境的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210376358.5
• 申請日: 2012-10-08
• 公開（公告）號: CN102854880A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭一楠;程健;朱元順;楊梅
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 程化銘

1.一種面向混合地形區(qū)域不確定環(huán)境的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法，其特征是：具體步驟如下：

步驟1：探測并確定機(jī)器人的工作環(huán)境信息，包括機(jī)器人的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)、靜態(tài)障礙物的位置和形狀、區(qū)域不確定障礙物的可能覆蓋區(qū)域，以及不同地面狀況的類型和區(qū)域；

步驟2：對機(jī)器人工作環(huán)境進(jìn)行建模，根據(jù)靜態(tài)障礙物的位置和形狀，確定工作環(huán)境中的不可行區(qū)域；構(gòu)建區(qū)域不確定障礙物的可能覆蓋區(qū)域概率模型；根據(jù)各類地形（地面狀況）的粗糙度和覆蓋度，采用模糊規(guī)則確定各類地形的摩擦系數(shù)；采用點(diǎn)序列????????????????????????????????????????????????表示第i條路徑各轉(zhuǎn)折點(diǎn)的相應(yīng)坐標(biāo)；

步驟3：確定用于評價路徑優(yōu)劣的兩個性能指標(biāo)，即該路徑規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)為：包含地形信息的路徑加權(quán)可通行長度和規(guī)避區(qū)域不確定障礙物的路徑包容度；

（3.1）標(biāo)記機(jī)器人的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)分別為和；采用表示路徑中相鄰轉(zhuǎn)折點(diǎn)與之間的子路徑長度（或距離），表示子路徑所處地形的摩擦系數(shù)，則的路徑加權(quán)可通行長度計算為

；

（3.2）采用表示子路徑與區(qū)域不確定障礙物之間的距離；根據(jù)不確定障礙物概率模型，采用計算路徑的包容度；

步驟4：采用多目標(biāo)文化算法對步驟3所確定的多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題進(jìn)行全局優(yōu)化，以得到一條最優(yōu)路徑，具體方法如下：

（4.1）初始化種群、優(yōu)勢路徑樣本庫，以及公共優(yōu)勢路段保留集；

?（4.2）對種群中的每一條路徑執(zhí)行以下操作：

（4.2.1）判斷路徑與靜態(tài)障礙物是否存在碰撞，即路徑是否可行；如果路徑不可行，則根據(jù)靜態(tài)障礙物與路徑之間的穿越程度，確定該路徑的可行區(qū)域；對該不可行路徑進(jìn)行修復(fù)；

（4.2.2）針對步驟3給出的路徑加權(quán)可通行長度和包容度兩個目標(biāo)函數(shù)，分別計算每條路徑的相應(yīng)適應(yīng)值；

（4.3）對種群中所有路徑按照其適應(yīng)值進(jìn)行非支配排序，得到其非支配序和擁擠度；

（4.4）保留具有最小非支配序且最小擁擠度的路徑；從種群規(guī)模為的種群中隨機(jī)選取條路徑，比較其非支配序；重復(fù)上述比較過程次，由比較獲得的條非占優(yōu)路徑與最優(yōu)保留路徑構(gòu)成種群；

（4.5）將種群中的路徑按非支配序和擁擠度升序排列；從排序后種群中選取前條路徑作為優(yōu)勢路徑保存到優(yōu)勢路徑樣本庫；提取樣本庫中所有路徑的公共優(yōu)勢路段集合；更新公共優(yōu)勢路段保留集；

（4.6）任意選取兩條路徑和構(gòu)成父代；記兩條路徑長度為和，依交叉概率隨機(jī)確定一個路徑轉(zhuǎn)折點(diǎn)所在位置作為交叉點(diǎn)；交換父代路徑和在該交叉點(diǎn)之后所對應(yīng)路段，從而生成兩條子代路徑和；

（4.7）任意選取一條路徑作為父代；依變異概率隨機(jī)確定一個路徑轉(zhuǎn)折點(diǎn)所在位置作為變異點(diǎn)；采用一致變異生成子代路徑；

（4.8）判斷進(jìn)化代數(shù)t是否滿足知識影響間隔；若滿足，則根據(jù)公共優(yōu)勢路段生成一條新路徑，按照知識影響比例替代種群中的不可行個體或較差個體，實(shí)現(xiàn)在公共優(yōu)勢路段附近的局部搜索；

式中，和分別代表路徑的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，和代表公共優(yōu)勢路段的起始和終止轉(zhuǎn)折點(diǎn)；

（4.9）判斷是否滿足終止準(zhǔn)則；若滿足，則終止算法，并輸出最優(yōu)路徑；否則，返回步驟(4.2)；

步驟5：根據(jù)路徑加權(quán)可通行長度和包容度兩個目標(biāo)的側(cè)重程度，選擇（4.9）獲得的最優(yōu)路徑中的一條作為機(jī)器人移動的最終路徑。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向混合地形區(qū)域不確定環(huán)境的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法，其特征在于：所述的步驟（3.2）中根據(jù)步驟（2.3）給出的區(qū)域不確定障礙物的可能覆蓋區(qū)域概率模型確定路徑的包容度；

①計算路徑中任意路段與不確定障礙物之間的距離；

②針對不確定障礙物，確定路徑中距離該障礙物最近的路段，得到二者的最短距離為

；

③根據(jù)步驟（2.3）中的概率模型和，計算路徑相對于區(qū)域不確定障礙物的包容度；

式中，取決于障礙物最大活動區(qū)間，取決于障礙物自身形狀；

當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動環(huán)境中存在多個區(qū)域不確定障礙時，路徑的包容度記為

。