[發明專利]一種仿蛇機器人自適應路徑跟蹤方法

有效

• 申請號: 201911302153.0
• 申請日: 2019-12-17
• 公開（公告）號: CN111338384B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 曹政才;張東;袁昊
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: G05D1/12
• 分類號: G05D1/12
• 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

本發明公開了一種仿蛇機器人自適應路徑跟蹤方法，本發明的主要機理是以整體姿態框架與膨脹障礙物的位置關系代替傳統的仿蛇機器人與障礙物間的位置關系，篩選規劃路徑點、平滑處理規劃路徑，獲取路徑導航點，利用設計的自適應路徑跟蹤控制器實現方法機器人對路徑的跟蹤。此路徑規劃與自適應跟蹤方法由仿蛇機器人整體姿態框架生成、障礙物邊緣膨脹化處理、路徑規劃與平滑、自適應路徑跟蹤控制器設計四部分構成，有效提高了仿蛇機器人多障礙復雜環境下的適應能力，對實現仿蛇機器人在復雜環境下的自主化、智能化運動有著重要意義。

技術領域

本發明涉及機器人研究與工程領域，具體是指一種復雜環境下仿蛇機器人路徑規劃與自適應跟蹤方法。

背景技術

隨著科技的進步，機器人被廣泛地應用于各個領域來替代人類完成繁雜的任務，軍事偵察行動、科學探索行動、工業檢修及災后救援都不乏機器人的身影。與生物蛇的多冗余物理結構特性相似，仿蛇機器人具有多自由度和靈活的運動方式，能夠實現魯棒和穩定的多種運動方式，如蜿蜒運動、直線運動、伸縮運動及側向運動，能夠在復雜環境中高效運動，受到研究人員的關注。

仿蛇機器人依靠關節的節律擺動，與地面之間產生各向異性摩擦力，推動機體向前運動。由于其特殊的運動機理，導致運動的過程會產生側向偏移，無法始終保持直線運動。當仿蛇機器人處于平坦開闊的地面環境中，這種運動機理和側向偏移的運動特點不會影響任務執行。然而，當機器人處于障礙較多、可通行路徑狹窄的地形時，按照原有的步態控制方法，機器人不能精確的沿著道路中間移動，容易碰撞到道路兩側的障礙物。目前仿蛇機器人能夠在簡單的地面環境中較好的運動，但是在復雜的地形中，仿蛇機器人的多關節、多自由度為完全避障的路徑規劃以及精確的路徑跟蹤帶來了艱巨的困難。路徑規劃是機器人研究領域內的重要分支，其目的是在一定約束條件下使機器人在多障礙物環境中生成一條通向目標點的無障礙物路徑。研究人員提出多種路徑規劃算法，如人工勢場法、遺傳算法及蟻群算法等，然而由于仿蛇機器人運動的姿態多變性，導致這些算法不能很好的直接應用于仿蛇機器人。路徑跟蹤同樣是機器人研究領域內的重要環節，其目的是控制機器人從某處出發，沿著給定的路徑到達目標點。由于其關節擺動導致運動過程中產生方向偏移，使其仿蛇機器人難以精準的跟蹤給定參考路徑。路徑規劃與跟蹤是實現仿蛇機器人自主導航的關鍵技術，研究適用于仿蛇機器人的效率高、實時性好的路徑規劃方法和準確度高、穩定性好的路徑跟蹤算法對于提升仿蛇機器人自主化和智能化具有重要意義。

針對復雜環境下的地形特點，路徑規劃方法應該具備高效性和實時性，且適用于仿蛇機器人多關節、多自由度機構特點和節律擺動運動機理。路徑跟蹤策略也應該具備不過分偏離航線的準確性及不產生劇烈擺動行為的穩定性。然而目前尚未有充分滿足以上要求的仿蛇機器人路徑規劃和跟蹤方法。

發明內容

針對上述問題，本發明提供一種仿蛇機器人在復雜環境下的路徑規劃與自適應路徑跟蹤方法，以解決目前已有方法不適用于仿蛇機器人在復雜環境下運動的難題，即規劃路徑實用性差、路徑跟蹤不精準等。具體措施是將改進的RRT算法應用于仿蛇機器人的路徑規劃并設計新的自適應路徑跟蹤控制策略。首先，確定路徑規劃目標點，根據仿蛇機器人姿態框架對障礙物進行膨脹化處理，建立機器人和障礙物之間的碰撞約束，利用路徑規劃算法生成可行路徑點。其次，針對仿蛇機器人無法大幅變向的運動特點，對路徑點進行篩選、平滑處理。在路徑跟蹤過程中，將仿蛇機器人視為一個整體并以可變矩形框架表示，以可變矩形與膨脹化后的障礙物之間的碰撞關系調整仿蛇機器人的步態參數。仿蛇機器人的路徑規劃與自適應跟蹤算法，通過路徑規劃及平滑克服了現有算法實用性差、不穩定的缺陷，通過設計相應的自適應路徑跟蹤控制器能夠實現仿蛇機器人的自主導航，極大提升仿蛇機器人的環境下適應能力，使其能夠執行災后搜救、軍事偵察、工業檢修及等任務。

本發明除了提出路徑規劃以外，還設計了相應的自適應路徑跟蹤控制方法。自適應路徑跟蹤控制器中的前向距離影響著機器人收斂到期望路徑的速率，因此本發明設計了該參數的自適應調整函數，提升路徑跟蹤的精確性。