[發明專利]一種利用二階梯度信息改善人工物理避障軌跡平滑度的方法

在審

• 申請號: 201711492116.1
• 申請日: 2017-12-30
• 公開（公告）號: CN108196540A
• 公開（公告）日: 2018-06-22
• 發明（設計）人: 張祥銀;賈松敏;郭聰;李秀智;張國梁
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種利用二階梯度信息改善人工物理避障軌跡平滑度的方法，屬于機器人技術領域。本發明通過參數的動態調節，將機器人的避障路徑由一階梯度下降方向朝二階高斯方向旋轉，從而提高機器人避障路徑平滑度的方法。利用保守力場的二階梯度信息來調整機器人的移動方向，同時通過對參數的動態調整來進一步改善原有算法的性能。與原有人工物理方法相比，本發明所提方法得到的機器人避障路徑更加平滑、通過障礙區域的速度更快。該方法是解決狹窄空間下機器人移動路徑導引與障礙規避的有效技術途徑，也可應用于空中飛行器航路規劃、無人駕駛車輛導引等技術領域。

技術領域

本發明提出了一種利用二階梯度信息改善人工物理避障軌跡平滑度的方法，屬于機器人技術領域。

背景技術

機器人在自主移動過程中，會遇到各種障礙或者不可行區域，因而需要具備實時緊急避障的能力。人工物理方法是求解機器人避障問題的一種有效的方法，它不需構造復雜的勢場函數，直接對機器人構造虛擬物理力的作用，因而更加簡單，并且具有清晰的物理意義。

考慮地面機器人在二維平面上自由，其動態特性由如下微分方程組描述：

式中p＝(x,y)為機器人的位置坐標，v＝(v_x,v_y)為機器人的速度矢量，加速度控制輸入u＝(a_x,a_y)表示機器人的控制輸入，起到控制機器人移動方向的作用。

機器人在朝著目標移動過程中，具有障礙躲避和目標搜索兩類基本行為。其中，目標搜索行為由機器人受到目標點施加的吸引力提供，用于引導機器人朝指定位置移動。在人工物理方法中，采用牛頓萬用引力定律計算目標施加給機器人的吸引力，如下

式中，||p_robot-p_goal||為機器人到目標點的距離，代表了從機器人位置指向目標點的單位向量，G_goal為目標點的引力常數。

機器人的障礙躲避行為由障礙物施加給機器人的排斥力提供，用于引導機器人調整運動方向以躲開障礙物，同樣采用牛頓萬用引力定律的形式計算機器人的虛擬排斥力，如下

式中，||p_robot-p_obs||為機器人到障礙物的距離，用表示從障礙物指向機器人的單位向量，R_rep為排斥力的作用范圍，當且僅當機器人與障礙物靠近到一定程度時，才會受到障礙物的排斥作用。

另外，對機器人引入了速率限制環節||v||≤v_max。同時，機器人也受到虛擬摩擦力的作用，有

f＝-f·v (4)

綜上，人工物理方法作用在機器人上的控制作用由三部分構成，即

u＝F_att+∑F_rep+f (5)

但是，在現有人工物理方法中，機器人受到的作用力沿著相應萬有引力場的負梯度方向。這種方法存在的缺陷在于，當機器人靠近障礙物或者通過狹長通道時，機器人會在作用力的引導下左右搖擺、產生嚴重的振蕩。這一缺陷會導致機器人作出大量沒有必要的機動動作，顯著增加任務執行的時間以及能量消耗。