[發(fā)明專利]一種移動機器人的三維路徑規(guī)劃方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811606435.5
• 申請日: 2018-12-27
• 公開（公告）號: CN109708640A
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭棟;李聰;孫欽鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 濟南大學(xué)
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 濟南譽豐專利代理事務(wù)所(普通合伙企業(yè)) 37240
• 代理人: 高強

本發(fā)明涉及移動機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種移動機器人的三維路徑規(guī)劃方法。針對三維環(huán)境中的移動機器人路徑規(guī)劃問題，本發(fā)明提供了一種基于RRT算法的移動機器人三維路徑規(guī)劃算法，使移動機器人的路徑更加符合實際應(yīng)用場合。本發(fā)明對RRT算法擴展的約束條件以及新節(jié)點的接納準則進行了改進。將各種約束條件作為改進的RRT算法擴展的約束條件。為了更加適應(yīng)移動機器人的三維路徑規(guī)劃，通過設(shè)計死亡節(jié)點和接納概率的方式改進了新節(jié)點的接納準則。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)移動機器人的三維路徑規(guī)劃，具有很高的實用價值和推廣價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及移動機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種移動機器人的三維路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

移動機器人具有行動靈活、易于操作等特點，被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。移動機器人在執(zhí)行任務(wù)過程中展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，在實現(xiàn)移動機器人自主控制的過程中，路徑規(guī)劃是極為重要的一個環(huán)節(jié)。運用RRT算法，移動機器人能夠在躲避障礙物的前提下，沿著某一路徑由起點飛向最終目標點。

但是目前RRT算法針對的環(huán)境模型主要是在二值的障礙空間內(nèi)進行，即任務(wù)環(huán)境要么是完全不可行的障礙區(qū)域，要么是可行區(qū)域。這與實際的移動機器人的應(yīng)用場合并不完全相符，比如承擔(dān)偵察和運輸貨物巡視等任務(wù)的移動機器人需要根據(jù)地形地貌和地面人為威脅進行最優(yōu)路徑的選取。因此將RRT算法推廣到更能精確描述真實環(huán)境的三維地形，具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了克服三維環(huán)境中的移動機器人路徑規(guī)劃問題，使移動機器人的路徑更加符合實際應(yīng)用場合，提供了一種基于RRT算法的移動機器人三維路徑規(guī)劃算法。

本發(fā)明對RRT算法擴展的約束條件以及新節(jié)點的接納準則進行了改進。移動機器人在三維環(huán)境中飛行，通常會受到自身的約束，即存在最大俯仰角約束、最大航程約束和最小轉(zhuǎn)彎半徑約束，本發(fā)明充分考慮了移動機器人的自身約束，并作為改進的RRT算法擴展的約束條件。為了更加適應(yīng)移動機器人的三維路徑規(guī)劃，通過設(shè)計死亡節(jié)點和接納概率的方式改進了新節(jié)點的接納準則。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)移動機器人的三維路徑規(guī)劃，具有很高的實用價值和推廣價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明路徑規(guī)劃方法流程圖。

具體實施方式

針對移動機器人在三維復(fù)雜地形環(huán)境中的路徑規(guī)劃，設(shè)計改進的RRT算法的約束條件。

最大俯仰角約束

移動機器人的爬行高度變化率也受到移動機器人自身的機動性能限制，定義移動機器人最大爬升/俯仰角為，兩個相鄰路徑節(jié)點的高度分別為和，該路徑段長度為，則該最大俯仰角約束可表示為：

。

最大行程約束

移動機器人的航程是有限的，即規(guī)劃路徑的各個路徑段長度之和小于最大飛行距離。

最小轉(zhuǎn)彎半徑約束

移動機器人受到自身結(jié)構(gòu)的限制，移動機器人的轉(zhuǎn)彎半徑不能過小。 假設(shè),和是一條路徑中三個緊鄰的路徑節(jié)點, 則能被擴展的約束條件是三點對應(yīng)圓的半徑大于最小轉(zhuǎn)彎半徑。

設(shè)計死亡節(jié)點

根據(jù)RRT算法的實現(xiàn)機理對于只存在威脅區(qū)域和可行區(qū)域的二值空間內(nèi)，可以通過判斷從鄰近節(jié)點到新節(jié)點之間是否存在威脅障礙作為的接收原則。而在考慮約束條件的三維環(huán)境中，需要設(shè)計新的的接納原則。新生成的與起始節(jié)點的路徑距離， 若，則說明該路徑已超過移動機器人的最大行程，設(shè)置的父節(jié)點，即對應(yīng)的鄰近節(jié)點為死亡狀態(tài)，以后再進行節(jié)點擴展時，不再考慮該節(jié)點。

結(jié)合上述RRT擴展的約束條件以及新節(jié)點的接納準則，改進的RRT算法流程可描述為：

1） 算法初始化，生成初始節(jié)點；