[發(fā)明專利]基于二分法求解的熱傳導(dǎo)拓撲優(yōu)化移動機器人路徑規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110420876.1
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN113159417B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李小虎;方遠洋;李寶童;祁朋園
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06F30/23;G06F119/08;G06F111/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 王艾華

本發(fā)明公開一種基于二分法求解的熱傳導(dǎo)拓撲優(yōu)化移動機器人路徑規(guī)劃方法，將二維環(huán)境中的全局路徑規(guī)劃問題映射為散熱拓撲結(jié)構(gòu)問題，建立所述散熱拓撲結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的有限元模型；根據(jù)所述散熱拓撲結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的有限元模型和生長模擬計算理論，以散熱弱度J為評價函數(shù)，得到散熱拓撲結(jié)構(gòu)中冷卻通道的單步生長優(yōu)化模型；根據(jù)單步生長模型以及每個生長步中使整個熱傳導(dǎo)域散熱弱度最小的原則，構(gòu)建冷卻通道最佳生長方向；定義機器人運動的8個搜索方向，構(gòu)建相應(yīng)方向的冷卻通道材料庫；在有限元框架下采用二分法快速求解，獲得機器人最終移動路徑；可以采用二分法求解，能夠明顯的提升計算效率，規(guī)劃的路徑效率更高，路徑更加穩(wěn)定。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于移動機器人路徑規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及基于二分法求解的熱傳導(dǎo)拓撲優(yōu)化移動機器人路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

路徑規(guī)劃是實現(xiàn)移動機器人自主運動的關(guān)鍵技術(shù)之一，如何從起點到終點規(guī)劃出一條符合性能要求的路徑是當(dāng)前移動機器人路徑規(guī)劃的研究熱點問題。現(xiàn)有的路徑規(guī)劃方法如RRT算法有著廣泛的應(yīng)用，但由于其隨機搜索的特性，在復(fù)雜環(huán)境下收斂速度較慢且路徑效果較差。受穩(wěn)態(tài)下傳熱路徑的啟發(fā)，中國專利CN110207709A-基于參數(shù)化水平集的移動機器人路徑規(guī)劃方法采用基于熱傳導(dǎo)拓撲優(yōu)化的方法，該方法能夠解決局部死鎖的問題，但涉及到了大規(guī)模計算，求解時間較長，而且計算不穩(wěn)定，在有些情況下容易碰到障礙物。由此可見，雖然有關(guān)機器人路徑規(guī)劃的研究取得了長足的進展，但也存在處理復(fù)雜環(huán)境問題能力弱、計算復(fù)雜等問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種基于二分法求解的熱傳導(dǎo)拓撲優(yōu)化移動機器人路徑規(guī)劃方法，該算法考慮到拓撲優(yōu)化問題是一個非線性優(yōu)化問題，求解效率低且結(jié)果不穩(wěn)定，將移動機器人的路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換成穩(wěn)態(tài)下設(shè)計最佳的散熱拓撲結(jié)構(gòu)問題，基于生長仿生的熱傳導(dǎo)拓撲優(yōu)化思想，提出一種基于二分法搜索的移動機器人路徑規(guī)劃方法，以此提升移動機器人路徑規(guī)劃算法的實時性和計算效率，使其能夠適應(yīng)不同復(fù)雜環(huán)境的路徑規(guī)劃，具有較好的搜索和計算性能。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于二分法求解的熱傳導(dǎo)拓撲優(yōu)化移動機器人路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟：

將二維環(huán)境中的全局路徑規(guī)劃問題映射為散熱拓撲結(jié)構(gòu)問題，建立所述散熱拓撲結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的有限元模型；

根據(jù)所述散熱拓撲結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的有限元模型和生長模擬計算理論，以散熱弱度J為評價函數(shù)，得到散熱拓撲結(jié)構(gòu)中冷卻通道的單步生長優(yōu)化模型；

設(shè)定移動機器人運動的搜索方向，在熱分析域中，根據(jù)所述搜索方向構(gòu)建冷卻通道材料的有限元模型，根據(jù)所述冷卻通道材料的有限元模型構(gòu)建冷卻通道材料庫；基于最優(yōu)散熱性能的原則，采用二分法求解所述單步生長優(yōu)化模型，在冷卻通道材料庫中求解出最優(yōu)搜索方向θ^*；

將求解得到θ^*對應(yīng)的冷卻通道添加到熱分析域中，并將所述冷卻通道的末端點作為新的冷卻通道迭代起始點，當(dāng)新的冷卻通道末端距離熱沉的距離小于冷卻通道的長度時停止生長，即到達端點，將每一步的端點相連得到規(guī)劃路徑。

將二維環(huán)境中的全局路徑規(guī)劃問題映射為散熱拓撲結(jié)構(gòu)問題具體實現(xiàn)如下：

機器人的位形空間C包括起始點C_S、目標(biāo)點C_G、障礙物C_O和自由空間C_F四個部分：

C＝C_S+C_G+C_F+C_O

根據(jù)以下對應(yīng)關(guān)系將位形空間C映射到熱分析域H中：

H＝H_S+H_G+H_F+H_O