基于改进势场蚁群算法的移动机器人最优路径规划

首先,针对传统人工势场算法存在死锁及局部路径欠优等问题,对其进行改进。利用障碍物检测算法识别出有效障碍物和有效路径中间点,通过引力场和边界条件规划出起点到中间点的局部路径,将中间点置为新的起点进行反复迭代,直至起点与目标点重合则规划完成。其次,针对蚁群算法容易陷入局部最优以及收敛速度较慢等问题,对其进行改进。以改进人工势场算法规划出的路径启发蚁群进行路径搜索,从而避免算法早期由于盲目搜索而导致的路径交叉及收敛速度慢等问题,同时以收敛次数构建负反馈通道,使全局信息素和局部信息素的更新速率跟随收敛次数的变化自适应调节,从而保证了算法全程中收敛速度与全局搜索能力的协调与统一。最后,在Matlab中对本文算法、基本蚁群算法以及文献[23]所述算法分别进行仿真实验。结果表明:在相同的环境模型下,本文算法的收敛速度和搜索能力均优于另两种算法;在给定的简单环境模型下进行路径规划时,本文算法的迭代次数为3次,运行时间为0. 892 s,最优路径长度为28. 627 m;在给定的复杂环境模型下进行路径规划时,本文算法的迭代次数为8次,运行时间为3. 376 s,最优路径长度为31. 556 m,所寻路径对环境的覆盖率为73. 63%。     

割草机器人路径规划的研究——基于机器视觉和人工势场算法

首先建立了割草机器人环境模型和传感器系统,然后利用OTSU算法和Faster R-cnn对图像进行分割和障碍物识别,最后根据割草机器人和周边环境搭建了一个人工势场,实现了对割草机器人路径规划。试验结果表明:割草机器人能够自行躲避障碍物目标,对预设路径进行局部重新规划,证明了该系统的可靠性和可行性。     

基于A~*与势场法机械臂三维避障路径规划

针对人工势场法在三维避障路径规划的过程中机械臂末端容易陷入局部极小值的缺陷,把A~*算法与人工势场法混合,使机械臂末端跳出局部极小值点进行全局避障路径规划,得到一条从起始点到目标点的最优规划路径。同时,提出用立方体栅格对环境建模,并采用三次B样条曲线对该路径进行平滑优化。仿真实验表明,该方法对于复杂且任意变化的三维障碍物空间环境均有效,验证了所提混合算法在机械臂三维避障路径规划中的可行性与有效性。     

基于人工势场法的移动机器人路径规划研究现状与展望

路径规划是移动机器人领域的热点研究方向，人工势场法已在工业机器人路径规划中得到广泛应用，近年来正逐步应用于农业工程的路径规划问题中。首先对路径规划中人工势场法的原理及传统人工势场法存在的缺陷进行分析，针对人工势场法中的局部极小值和目标不可达问题的多重改进方法进行原理分析和方法总结，并根据人工势场法在工业机器人中的应用对已有的算法融合方法进行分类综述。最后通过对多种改进方法的比较，对农业机器人路径规划所需满足的实时性以及障碍物的多变性进行应用展望，可以利用现有的算法融合研究，结合农业生产的实际情况，对不同农业生产应用场合的融合算法选择机制进行深入研究，以满足现代农业生产中对机器人路径规划的需求。     

基于北斗和激光雷达的机器人导航控制方法研究

为解决传统机器人导航控制易受到距离和空间等限制的问题,提出一种基于北斗数据和激光雷达数据组合的导航控制方法,该方法通过北斗输出的高精度定位数据构建全局地图并采用PID控制技术进行全局导航,通过激光雷达探测的局部数据构建局部地图,并由数据聚类和分段拟合等算法增强对探测到的障碍物边缘的描述,由人工势场实现机器人的避障路径规划。实测及仿真数据试验结果表明,采用分段拟合并取距离阈值为10,类别剔除阈值为3时,障碍物边缘更加清晰,轮廓更明确,有利于机器人自动避障;通过全局和局部地图的优势互补,导航控制方法在5 cm步进栅格化的数据下取得较好地避障性能;与已有算法相比,所提方法在与改进人工势场方法取得相近的最优路径情况下,运行时间减少43%,有效提高机器人的导航控制效率。     

基于遗传改进人工势场法的全区域平粮机器人路径规划

首先介绍基于激光全局定位的平粮机器人定位方法,然后提出一种基于遗传改进人工势场法的全区域移动平粮机器人路径规划方法,该方法能克服平粮机器人在障碍物附近易于震动和障碍物在目标点附近导致目标点不可达等现象。与人工势场法相比,基于遗传改进的人工势场法对平粮机器人的路径规划能使机器人能准确避开障碍物到达目标点,而且在同等条件下,机器人到达目标点步数和路径都相对减少,运动轨迹更为平滑和稳定。最后进行仿真实验,仿真实验结果验证所提出路径规划方法的有效性和正确性;同时提出机器人以横向、纵向行走的平粮策略对工作环境进行全区域平粮。     

基于含避障角人工势场法的机器人路径规划

针对基于距离的人工势场法(Artificial potential field,APF)存在的局部极小值问题,提出了一种含避障角的人工势场法的避障路径规划方法。在平面环境中,采用斜率判定路径规划过程中的位置关系,通过机器人当前点到障碍物的距离与障碍物的影响半径二者之差得出人工势场法中的排斥力,并对排斥力的偏转角进行调整;另外,在空间环境中利用圆弧插补理论将机器人平面避障问题转换为空间避障问题;基于机器人构型配置对改进人工势场法进一步完善以满足实际避障要求。仿真和实验研究结果表明,含避障角的人工势场法,在单个或多个障碍物环境中进行避障路径规划时解决了局部极小值的问题,同时实现了6自由度机器人末端在避障时的轨迹曲线平滑无振荡,验证了所提出避障路径规划方法的可行性。     

基于单目视觉的采摘机器人障碍物检测和路径规划

具有自主作业能力的采摘机器人一直是国际上研究的热点,而障碍物检测躲避能力是其重要的功能,因为在机器人识别作业区域或成熟果实后需要自主的定位和移动。为此,提出了一种基于单目视觉和人工势能场的障碍物检测和避障算法,可以有效采集和检测障碍物的信息,再依据障碍物及目标区域的距离使用人工势能场方法对路径进行优化,实现采摘机器人的自主移动。为了验证障碍物检测和避障方案的可行性,模拟采摘机器人作业环境和自主移动流程,对采摘机器人避障行为进行了测试。测试结果表明:采用单目视觉和人工势场方法可以使机器人成功的避障,并规划出效率最高的到达目标作业区域路径,对采摘机器人自主导航技术的研究具有重要的意义。     

基于改进人工势场的苹果采摘机器人机械手避障方法

针对非结构化环境下的采摘机器人机械手实时避障问题,提出一种改进人工势场法的避障路径规划方法。根据自行研制的5自由度苹果采摘机器人机械手具体结构和障碍物特征,进行机械手运动学分析和障碍物建模;在保留传统人工势场法易于实现、结构简单等优点的基础上,针对其存在的局部极小点、陷进区等问题,结合果树生长环境中障碍物的特点,通过引入虚拟目标点使搜索过程跳出局部最优的极小点,从而实现机械手避开障碍物到达目标的灵活避障;将该方法应用于机械手末端位置、障碍物位置和目标位置已知条件下的采摘机器人机械手实时避障任务中,仿真和实验研究结果表明此方法简单,实时性好,能够有效地避开障碍物,成功到达目标位置,适合自然生长状态下苹果的自动采摘。     

基于势场蚁群算法的移动机器人全局路径规划方法

针对移动机器人路径规划蚁群算法收敛速度慢和人工势场法易陷入局部最优的问题,提出一种以栅格地图为环境模型,在蚁群算法搜索过程中加入针对具体问题的人工势场局部搜索寻优算法,将人工势场法中力因素转换为局部扩散信息素,使蚁群倾向于具有高适应值的子空间搜索,减少了蚁群算法在盲目搜索路径过程中产生的局部交叉路径及蚂蚁"迷失"数量,提高了蚁群对障碍物的预避障能力。对不同参数组合下2种算法及其它改进算法仿真结果做了比较,验证了基于势场蚁群算法的全局路径规划能够加快寻优过程且具有较强的搜索能力,收敛速度提高近1倍。     

基于改进蚁群算法的农业机器人路径规划研究

针对农业机器人路径规划实时性和稳定性差的问题,采用人工势场法,并结合Memetic算法与精英排序法优化基本蚁群算法。该算法用势场法获得路径初始化种群,对每代路径进行Memetic算法中的交叉组合操作,将每代蚂蚁产生的路径分别进行优化排序,根据蚂蚁路径的优劣程度,对信息素进行更新;同时,加入精英小组蚂蚁产生的信息素,从而加快了算法的收敛速度,提高了算法的稳定性。实验表明:改进后算法的平均最优路径长度提高了12.56%,收敛代数提高55.86%,算法用时提高了65.3%,最优解百分比增加了40%。本算法能够快速有效地规划出最优路径,提高了农业机器人的工作效率。     

基于改进双向RRT*的果园机器人运动规划算法

为提高果园机器人在果园中作业的自主性、安全性和效率,需要进行有效合理的运动规划。针对传统RRT*(Rapidly exploring random tree star)全局路径规划算法在连续走廊式环境下存在搜索效率低、采样点利用率低、生成路径折线多转角大等问题,以阿克曼底盘果园喷雾机器人为运动模型,提出一种改进双向RRT*的果园喷雾机器人运动规划算法。首先,根据激光雷达建立果园二维平面地图,将果树和障碍物均视为障碍物区域,并结合喷雾机器人本体尺寸,对障碍物进行膨胀化处理;然后,通过改进双向RRT*算法搜索路径,搜索路径过程中结合动态末梢节点导向和势场导向进行偏置采样,并对初步生成的路径进行路径点去冗余以及相邻折线段转角约束处理;最后,采用三阶准均匀B样条曲线对处理后的路径点进行轨迹优化,在优化过程中主要考虑轨迹的碰撞检测和喷雾机器人底盘曲率约束。试验结果表明,相较于传统双向RRT*算法,本文所提出的改进算法规划时间平均减少57.5%,采样点利用率平均提高28.55个百分点,最终路径长度平均缩短7.14%;经三阶准均匀B样条曲线优化后所得轨迹在有、无障碍物两种环境下均满足喷雾机器人最大曲率约束,且仅在换行以及障碍物处存在转弯行为,符合喷雾机器人作业轨迹条件,提高了喷雾机器人的工作效率和自主性。     

采摘机器人动态路径规划系统研究——基于人工势场法

以采摘机器人为研究对象,首先建立了采摘机器人作业环境及障碍物模型,并利用人工势场法搭建了环境和障碍物运动势场;然后基于人工势场法设计了采摘机器人动态路径规划系统;最后利用Mat Lab进行了仿真实验。结果表明:该系统优化效果明显,具有很好的避障和路径规划能力。实验很好地验证了系统的有效性和实时性。     

基于蚁群算法与人工势场法的移动机器人路径规划

针对复杂环境下移动机器人路径规划困难的问题,提出了一种将全局路径规划蚁群算法与局部路径规划人工势场法相融合的混合型算法。首先,采用多因素启发函数和新的蚂蚁行进机制来解决传统蚁群算法路径质量差且易陷入对角障碍的问题;其次,针对传统蚁群算法收敛速度慢的情况,设计了自适应挥发系数和动态权重系数;接着,通过引入虚拟目标点、相对距离和安全距离的概念,解决了传统人工势场法易陷入局部极小值、目标不可达以及过度避障的问题;最后,将改进蚁群算法规划路径的转折点作为局部子目标点来调用改进的人工势场法进行二次规划。仿真表明改进蚁群算法较传统算法以及其他算法在路径长度方面优化了9.9%和2.0%,在路径转折次数方面优化了81.8%和63.6%,在收敛速度方面优化了94.2%和63.6%;改进人工势场法有效解决了自身问题;而以二者为基础的混合型算法则充分地结合了二者的优势,在复杂的静态和动态环境中具有极高的环境适应性和路径规划效率。     

基于模糊控制系统的采摘机器人避障系统研究分析

针对目前使用的采摘设备落后、工作量大、稳定性差等问题,为了提高采摘机器人的环境适应能力,对采摘机器人的避障控制系统进行了分析,拟采用模糊控制系统的方法,来加强采摘机器人避障系统的能力和效率,减少采摘机器人避开障碍物及规划出适当路径所用时间。模糊控制使用超声波检测前方障碍物距离,以控制转轮速度和方向作为输入量,速比作为输出量,控制移动的速度和方向。为使采摘机器人避障路径规划尽可能短,采用改进的遗传算法和模糊控制系统建立基本模型。对采摘机器人的避障性能进行仿真试验,结果表明:基于模糊控制的采摘机器人的避障系统可以成功地避开障碍物及规划出最短行走路径,且能够快速定位树上的果实和准确地完成采摘任务,具有效率高、易操作、采摘成功率高等特点。     

农业机器人路径规划与实时定位系统——基于数据挖掘技术

首先介绍了数据挖掘技术的特点和优势,然后采用可视图建模方法建立了农业机器人作业环境模型,最后利用粒子滤波器算法实现了一套基于数据挖掘的农业机器人路径规划与实时定位系统。实验结果表明:农业机器人成功避开所有的障碍物,顺利地从起点到达了终点。从其移动路径和拐点来看,该系统优化效果明显,具有很强的避障、路径规划和定位能力。