[發明專利]一種考慮角速度約束和改進斥力場的人工勢場路徑規劃方法

有效

• 申請號: 202110183136.0
• 申請日: 2021-02-10
• 公開（公告）號: CN112965471B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 王昕煒;劉潔;彭海軍;陳飆松;張盛;李云鵬;呂琛
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05D1/00
• 分類號: G05D1/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發明提供一種考慮角速度約束和改進斥力場的人工勢場路徑規劃方法，屬于路徑規劃領域。所述人工勢場路徑規劃方法根據感知到的障礙物并結合所需的導航精度，實時地更新柵格地圖。在每個迭代步中，根據裝備與目標點、障礙物的相對位置，計算合力的理想方向。進而結合裝備實際的角速度約束、速度信息，生成新的航路點。重復上述步驟，直到裝備到達目標點鄰域，即完成了路徑規劃過程。本發明通過引入角速度約束，避免了規劃路徑中的角度突變，提高了路徑的光滑性和運動可行性；通過改進的斥力場設計方式，解決傳統人工勢場方法中可能出現的目標不可達現象；通過引入角速度和速度信息，將人工勢場方法拓展為軌跡規劃方法，便于執行后續的軌跡跟蹤過程。

技術領域

本發明屬于路徑規劃領域，涉及一種考慮角速度約束和改進斥力場的人工勢場路徑規劃方法。

背景技術

人工勢場是一種經典的路徑規劃方法。其基本思想為機器人在環境中的運動，抽象成質點粒子在人造引力場中的運動，其中障礙物對機器人產生斥力，目標點對機器人產生引力，機器人在合力的作用下避開障礙物并抵達目標點。傳統的人工勢場法具有良好的實時計算效率，在無人潛航器、無人機、機械臂等裝備的路徑規劃問題中已經得到了廣泛的引用，但其具有如下明顯的缺陷：

(1)陷入局部最優點。復雜障礙場景下的勢場設計通常會產生眾多的局部最優點，機器人在該類工況下則會陷入局部最優點，無法完成后續的路徑規劃。

(2)不考慮角速度約束。任何裝備的運動都服從特定的運動學或動力學方程，同時在有限的控制輸入下，機器人的運動過程中朝向角不可能發生快速的改變。由于傳統的人工勢場方法不考慮角速度約束，因此得到的路徑在實際中執行過程中可能并不可行。

(3)未提供時間信息。路徑規劃方法分為基于幾何的方法以及軌跡規劃方法，相比于基于幾何的方法，軌跡規劃方法在生成一系列航路點的同時還能夠提供相應的時間信息。然而人工勢場方法本身屬于一種基于幾何的方法，而非軌跡規劃方法，不便于執行后續的軌跡跟蹤。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提出了一種考慮角速度約束和改進斥力場的人工勢場路徑規劃方法。該方法通過提出改進的斥力場設計方式并融合裝備的運動學特性，將傳統的人工勢場路徑方法拓展為一種軌跡規劃方法，從而為后續軌跡跟蹤的執行提供高質量的參考運動軌跡，具有良好的魯棒性與實時計算效率。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種考慮角速度約束和改進斥力場的人工勢場路徑規劃方法，根據感知到的障礙物并結合所需的導航精度，實時地更新柵格地圖。在每個迭代步中，根據裝備與目標點、障礙物的相對位置，計算合力的理想方向。進而結合裝備實際的角速度約束、速度信息，生成新的航路點。重復上述步驟，直到裝備到達目標點鄰域，即完成了路徑規劃過程。本發明的計算流程圖如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1：設定算法參數

設定規劃算法中所需的參數，具體包括：出發時間T₀，時間步長ΔT，裝備運動速度v_const，裝備最大角速度引力系數K_att，斥力系數K_rep，目標點引力場線性-二次閾值ρ_g，障礙物斥力作用半徑ρ_o，斥力分力退化系數n，等效達到誤差ε。設定目標點的位置為V(x_g,y_g)，起始點的位置與朝向角分別為G^[0](x^[0],y^[0])和θ^[0]。定義變量ρ(A,B)代表平面內A、B兩點間的歐氏距離，定義變量代表由點B指向點A的單位向量。設定迭代指標k＝0。

步驟2：獲取裝備的位置及方向信息