【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于機(jī)器人路徑規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及用于解決動(dòng)態(tài)且形狀時(shí)變障礙物路徑規(guī)劃環(huán)境下的實(shí)時(shí)rrt-dwo算法。
技術(shù)介紹
1、路徑規(guī)劃的研究通?？梢苑譃閮蓚€(gè)主要視角：智能體的視角和障礙物的視角。從智能體的視角來看，研究主要集中在單智能體和多智能體場景上。從障礙物的視角來看，大多數(shù)工作主要關(guān)注靜態(tài)障礙物和動(dòng)態(tài)障礙物。對(duì)于動(dòng)態(tài)障礙物，研究大多集中在障礙物速度時(shí)變的情況。然而，障礙物形狀實(shí)時(shí)變化所引起的動(dòng)態(tài)性在現(xiàn)有的研究中尚未得到充分的關(guān)注和探索。
2、實(shí)際上，障礙物形狀實(shí)時(shí)變化在許多應(yīng)用場景中均有體現(xiàn)。在工業(yè)自動(dòng)化中，由于貨物的堆疊和移動(dòng)，機(jī)器人可能會(huì)遇到障礙物形狀的突然變化。在建筑施工中，材料的堆放和設(shè)備的移動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場障礙物形狀的變化。自動(dòng)駕駛車輛在臨時(shí)施工的道路行駛時(shí)，需實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)障礙物因形狀變化而產(chǎn)生的影響范圍變化。在物流配送中，無人配送車輛可能會(huì)因行人聚集而面臨障礙物形狀的變化。在災(zāi)難救援場景中，搜救機(jī)器人必須應(yīng)對(duì)不斷下沉、移動(dòng)的坍塌建筑結(jié)構(gòu)以及不斷變化的瓦礫堆形狀。
3、在先前的研究中，靜態(tài)障礙物通常使用全局路徑規(guī)劃方法進(jìn)行處理，例如a*算法和快速探索隨機(jī)樹(rapidly-exploring?random?tree,rrt)。這些方法能夠生成全局路徑，但在處理動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)存在一定的局限性。因此，研究人員通常采用局部路徑規(guī)劃方法，如人工勢場法(artificial?potential?field,apf)和動(dòng)態(tài)窗口法(dynamic?windowapproach,dwa)來應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物。局部路
4、目前，許多研究者嘗試將全局路徑規(guī)劃與局部路徑規(guī)劃相結(jié)合，即在全局路徑規(guī)劃生成全局路徑的基礎(chǔ)上，采用局部路徑規(guī)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)避障。這種方法在應(yīng)對(duì)僅速度變化的動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)表現(xiàn)較好，但在速度和形狀均動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜場景下，智能體成功到達(dá)目標(biāo)的概率大大降低。針對(duì)這一問題，我們的專利技術(shù)設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)全局路徑生成結(jié)合局部路徑更新的方法以應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)解決的問題在于，在應(yīng)對(duì)障礙物速度變化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)對(duì)障礙物形狀實(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)因素這一新增的動(dòng)態(tài)維度，我們對(duì)全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃的方法進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。具體來說，在全局路徑生成方面，我們?cè)诿總€(gè)rrt節(jié)點(diǎn)處實(shí)時(shí)重新規(guī)劃智能體的全局路徑；同時(shí)，在每個(gè)時(shí)間步長上基于dwa算法進(jìn)行實(shí)時(shí)避障處理。該方法不僅能夠?qū)崟r(shí)生成安全的全局路徑，確保智能體在高度動(dòng)態(tài)的環(huán)境中安全地向目標(biāo)前進(jìn)，還進(jìn)一步增強(qiáng)了智能體對(duì)環(huán)境實(shí)時(shí)變化的響應(yīng)能力。
2、本專利技術(shù)是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
3、動(dòng)態(tài)且形狀時(shí)變障礙物路徑規(guī)劃環(huán)境下的實(shí)時(shí)rrt-dwo算法，具體的步驟為：
4、步驟1：rrt算法生成全局路徑
5、rrt算法主要是用于生成全局路徑，其在路徑規(guī)劃環(huán)境下生成全局路徑的基本思想是：以起點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，通過在地圖上隨機(jī)采樣，并以最近的節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)，使隨機(jī)樹不斷擴(kuò)展。當(dāng)隨機(jī)樹接近終點(diǎn)并與終點(diǎn)連接，即完成路徑搜索。
6、步驟2：dwa算法在全局路徑的基礎(chǔ)上對(duì)障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)避障
7、dwa作為一種局部路徑規(guī)劃方法，可有效地幫助智能體在面對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)避障。該方法在每個(gè)時(shí)間步優(yōu)化智能體的線速度和角速度，以實(shí)現(xiàn)在環(huán)境中障礙物動(dòng)態(tài)變化條件下的避障處理。dwa算法通過目標(biāo)函數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)窗口內(nèi)的每一對(duì)速度進(jìn)行評(píng)估。該評(píng)估旨在衡量軌跡的質(zhì)量，包括其朝向目標(biāo)的對(duì)齊度、與障礙物的安全距離以及速度的大小，目的是避免碰撞的同時(shí)快速到達(dá)目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)j的定義如下：
8、j＝l1*jheading+l2*jdis+l3*jvelocity
9、其中，系數(shù)l1，l2和l3為權(quán)重系數(shù)。
10、步驟3：rrt-dwa算法
11、在障礙物速度時(shí)變基礎(chǔ)上引入障礙物形狀時(shí)變這一新的動(dòng)態(tài)維度，增加了智能體在整個(gè)過程中面對(duì)的環(huán)境不可預(yù)測性。同時(shí)，障礙物形狀變化也加劇了路徑規(guī)劃過程中障礙物對(duì)路徑的破壞。這種強(qiáng)動(dòng)態(tài)環(huán)境對(duì)智能體的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力提出了更高的要求。此外，障礙物動(dòng)態(tài)變化也導(dǎo)致狀態(tài)空間顯著擴(kuò)大。因此在初始階段提供全局指引減小解空間，以提高智能體的路徑規(guī)劃效率顯得尤為重要。我們首先設(shè)計(jì)了算法1以應(yīng)對(duì)路徑規(guī)劃過程中障礙物速度時(shí)變和形狀時(shí)變的挑戰(zhàn)。
12、步驟4：動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)rrt-dwa算法
13、該算法采用更加保守的安全策略，在每個(gè)rrt節(jié)點(diǎn)處重新進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，以生成階段性的全局安全路徑。在此基礎(chǔ)上，采用dwa方法進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，從而確保智能體在全局路徑規(guī)劃過程中能夠?qū)崟r(shí)生成安全路徑。與算法1相比，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)rrt-dwa算法在安全性和可靠性方面有顯著提升。具體的實(shí)現(xiàn)過程詳見算法2。
14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下有益的技術(shù)效果：
15、針對(duì)動(dòng)態(tài)且形狀時(shí)變障礙物路徑規(guī)劃環(huán)境，設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)rrt-dwa算法，可以在工業(yè)自動(dòng)化、建筑施工、自動(dòng)駕駛、物流配送和救援行動(dòng)等多種場景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
本文檔來自技高網(wǎng)...【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.動(dòng)態(tài)且形狀時(shí)變障礙物路徑規(guī)劃環(huán)境下的實(shí)時(shí)RRT-DWO算法，其特征在于，具體的步驟為：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)且形狀時(shí)變障礙物路徑規(guī)劃環(huán)境下的實(shí)時(shí)RRT-DWO算法，其特征在于，所執(zhí)行的過程可以描述為：首先，建立可行的RRT路徑規(guī)劃模塊，接著，驗(yàn)證DWA模塊的可行性，在確保RRT和DWA模塊可行的基礎(chǔ)上，構(gòu)建動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)RRT-DWA算法；該算法首先初始化RRT樹，并基于RRT模塊生成全局路徑；在此基礎(chǔ)上，在每個(gè)RRT節(jié)點(diǎn)處生成新的全局路徑，在每個(gè)時(shí)間步長上應(yīng)用DWA模塊進(jìn)行局部路徑規(guī)劃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)且形狀時(shí)變障礙物路徑規(guī)劃環(huán)境下的實(shí)時(shí)RRT-DWO算法，其特征在于，在傳統(tǒng)路徑規(guī)劃技術(shù)的基礎(chǔ)上引入障礙物形狀變化這一新的動(dòng)態(tài)維度，解決該維度帶來的挑戰(zhàn)。
【技術(shù)特征摘要】
1.動(dòng)態(tài)且形狀時(shí)變障礙物路徑規(guī)劃環(huán)境下的實(shí)時(shí)rrt-dwo算法，其特征在于，具體的步驟為：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)且形狀時(shí)變障礙物路徑規(guī)劃環(huán)境下的實(shí)時(shí)rrt-dwo算法，其特征在于，所執(zhí)行的過程可以描述為：首先，建立可行的rrt路徑規(guī)劃模塊，接著，驗(yàn)證dwa模塊的可行性，在確保rrt和dwa模塊可行的基礎(chǔ)上，構(gòu)建動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)rrt-dwa...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙望，李騰飛，馬佳曼，劉家祺，成喆敏，曹詩苑，金晨，孟源潔，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西安建元科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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