基于改進人工勢場法的機器人路徑規劃研究

程金勇,王欽釗

(裝甲兵工程學院,北京 100072)

基于改進人工勢場法的機器人路徑規劃研究

程金勇,王欽釗

(裝甲兵工程學院,北京 100072)

路徑規劃的任務是在有障礙物的空間環境中,根據賦予的指令及環境信息搜索一條從起點到目標點的最優或次優路徑[1-3].傳統的人工勢場法具有易陷入局部極小點的缺陷,建立局部極小點陷入與逃離的評價標準,采用引力場旋轉逃離策略和障礙物填充思想,解決局部極小點的問題.仿真結果證明了該方法的有效性.

機器人;路徑規劃;旋轉矩陣;局部極小點

本文通過在引力場中增加旋轉矢量陣,解決了局部極小點問題.

1 傳統人工勢場法

1.1 人工勢場法

目標對機器人施加引力,而障礙物對機器人施加斥力,這2種力形成合力控制機器人的運動狀態.這樣,既保證了機器人向目標點運動,又使得機器人成功避障.傳統引力和斥力場模型如下:

式(1)(2)中:Uatt(X)為引力場函數;X為機器人位置向量;ka為引力增益系數;Xg為目標位置向量;Urep(X)為斥力場函數;kr為斥力增益系數;d為機器人與障礙物相對距離;d0為斥力場作用距離.

引力和斥力均為引力場和斥力場函數的負梯度,表達式見式(3)和式(4).機器人受到的合力決定機器人下一步的運動方向.

1.2 局部極小點

由式(3)(4)可知,機器人在進行路徑規劃時,受到的斥力會隨著機器人與障礙物的接近而逐漸變大,而引力則恰恰相反,這樣在機器人沒有到達目標點時,引力和斥力可能恰好平衡或接近平衡點,機器人在此位置震蕩或停止,誤以為到達終點,但此時機器人未達到目標位置,即陷入局部極小點.

2 改進人工勢場法

下面介紹局部極小點逃離策略.采用旋轉矩陣方法對引力(3)作一定的改變,使其成為新的引力場,破環局部極小點區域引力和斥力的平衡,使機器人能夠跳出局部極小點.考慮到障礙物的避碰問題,θ角度取-2π/3或2π/3,具體采用的數值指向障礙物密集程度比較小的區域.當機器人判定自身陷入局部極小點區域后,引入旋轉矩陣策略,對目標點的引力方向進行改變,見式(5).斥力與變換后的引力形成新的合力,使機器人能夠走出局部極小點區域.

圖1 局部極小點仿真結果

3 仿真實驗

本文擬在二維模擬空間中進行MATLAB仿真實驗,對路徑規劃中的2種情況進行驗證.其中,ka=0.5,kr=100,dmin=1,kb=100,d0=10.圖1為局部極小點仿真結果,圖中黑色區域代表障礙物,起始點為星號,目標點為五星形狀,機器人運動軌跡是一條藍線.圖1(a)采用傳統的勢場法,無法擺脫局部極小點;圖1(b)采用本文中的局部極小點的逃離和防陷入策略,機器人檢測到自身陷入局部極小點之后,改變機器人受到的勢場,安全地避開障礙物,到達目標位置.

4 結論

分析了傳統人工勢場法在進行路徑規劃時出現局部極小點問題,通過引入旋轉矩陣對引力進行改變,使機器人逃離局部極小點.最后,通過對比實驗驗證了算法的有效性.

[1]張建英,趙志萍,劉暾.基于人工勢場法的機器人路徑規劃[J].哈爾濱工業大學學報,2006(8):1306-1309.

[2]殷路,尹怡欣.基于動態人工勢場法的路徑規劃仿真研究[J].系統仿真學報,2009,21(11):3325-3341.

[3]黃炳強,曹廣益.基于模糊人工勢場的移動機器人路徑規劃[J].上海理工大學學報,2006,28(4):347-350.

〔編輯:劉曉芳〕

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.043

2095-6835(2017)22-0043-02