移动机器人避障路径规划改进人工势场法.pdf

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1、第11卷第13期2011年5月科学技术与工程Vol.11No.13May20111671—1815(2011)13-2953-04ScienceTechnologyandEngineering2011Sci.Tech.Engng.移动机器人避障路径规划改进人工势场法姚靖靖邱于兵敖俊宇(南昌大学机电工程学院，南昌330031)摘要针对路径规划中的大型障碍物，机器人、障碍物与目标点三者一线，以及局部最小值等困难问题，提出了相应的改进人工势场算法。针对大型障碍物问题，采用障碍物边界斥力算法改进传统人工势场斥力函数，确保算法的实用性。针对机器

2、人、障碍物与目标点三者在同一条直线时目标不可达问题，应用虚拟子目标引力算法，确保目标点是机器人的势场全局最小点，使得机器人能顺利到达目标点。针对在障碍物环境下的局部最小值问题，采用区域隔离障碍物的方法，使机器人快速走出局部最小值区域。仿真结果验证了改进算法的有效性。关键词移动机器人避障势场法路径规划中图法分类号TP242．62;文献标志码A路径规划是移动机器人领域一个重要组成部斥力势场函数的计算公式为:［1］2分。它的任务是在障碍物环境中，按照一定的评1112krep(p(q)－p)ifp(q)≤p0价标准，寻找一条从起始位置到达目标位

3、置的无碰Urep(q)={0撞路径［2］。人工势场法以其数学计算简单明了而0ifp(q)≥p0被广泛应用，但由于人工势场法存在一定固有的局(2)限性，在有些情况下机器人不能完成路径规划。本引力函数的计算公式为:文针对传统人工势场法的缺陷及大型障碍物斥力Fatt(q)=－katt(qrobot－qgoal)(3)计算的问题、局部极小值问题，改进了算法，实现了斥力函数的计算公式为:多大型障碍物环境下的避障路径规划。Frep(q)=－Urep(q)(4)其中:katt表示引力比例因子，(qrobot－qgoal)表示位置1人工势场法的原理q

4、robot到目标点的距离。krep表示斥力正比例系数，p(q)表示机器人与障碍物的最短距离。人工势场法由Katib于1986年提出。基本思想是:在机器人与目标点之间建立一个由目标引力场2人工势场法的改进和障碍物斥力场共同作用的虚拟力场，通过搜索合成势场中势能的下降方向，实现机器人的无碰撞路2．1大型障碍物时算法的改进［3］T径规划。设机器人的位置信息为qrobot=［x，y］，使用传统的人工势场法在解决路径规划的问T目标的位置信息为qgoal=［xgoal，ygoal］。第i障碍物题时，在很多情况下，都是将障碍物看做一个质点。T的位置信

5、息为qobstacle(i)=［xobstacle(i)，yobstacle(i)］。但在实际环境中，障碍物可能是比较庞大的。针对［4］这种情况，本文采用障碍物边界斥力和的方法来解则机器人的引力势场函数可以描述为:12决这个问题。具体的计算步骤如下:Uatt(q)=katt(qrobot－qgoal)(1)21)将障碍物的各边界使用线段表示，一线段表示障碍物一个边。对障碍物的边缘进行修正，使其2011年1月21日收到，2月18日修改成为一个规则的多边形;2954科学技术与工程11卷2)分割线段成点的集合;计算每个线段在x器人的速度，运动

6、时间。Fnewy(qi)、Fnewx(qi)分别表轴，y轴上的分割间隔spacing;示添加子目标引力的在y轴、x轴的分量。θi表示3)将分割的各边界坐标存放到集合N中。机器人与目标之间与x轴之间的夹角。经过划分大型障碍物成了质点的集合。此时添加的子目标引力势场的计算公式:i第j个大型障碍物的斥力计算公式为:Unew(q)=katt(qr－qgoal)(7)Nm－11ìkm11)引力大小的表达式:rep∑(－)m+1p(qjïïj=1p(qj)p0p(qj)Fnew(q)=－Unew(q)(8)Frep(j)(q)=íïïifp(q

7、j)＜p0添加的子目标吸引力矢量的函数计算表达式:î0ifp(qj)＞p0πìFnewy(qi)=Fatty(qi)sin(+θi)ifxgoal＜xrobot(i)(5)ï2ïπL1+L2+…+LiïFnewy(qi)=Fatty(qi)sin(－+θi)ifxgoal＞xrobot(i)式(5)中:N=ï2spacingxíπ引力的计算公式改进为:ïFnewx(qi)=Fattx(qi)cos(－+θi)ifygoal＜yrobot(i)ï2iUatt(q)=katt(qrobot－qgoal)(6)ïïπL表示障碍物第i个边的边长

8、;R表示机器人的半îFnewx(qi)=Fattx(qi)cos(2+θi)ifygoal＞yrobot(i)irob径。p(qj)表示第j个障碍物与机器人之间的最短(9)距离。其中:2．2机器人、障碍物与