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一种基于自适应引力的移动机器人避障方法技术

技术编号:22165544 阅读:25 留言:0更新日期:2019-09-21 10:00
一种基于自适应引力的移动机器人避障方法,包括如下步骤:步骤1)建立参考轨迹曲线的表达式;步骤2)自适应引力设计,得到自适应引力取值;步骤3)将自适应引力作用在时间尺度上,得到基于引力的参考轨迹曲线;步骤4)通过参考轨迹曲线确定模糊控制器的输出;当机器人在轨迹跟踪过程中未检测到障碍物时,机器人的控制量由轨迹跟踪控制器的输出决定,当机器人检测到的障碍物且距离很近时,当前机器人的控制量由模糊控制器的输出决定。本发明专利技术在障碍物情况较复杂或机器人完成避障时间较长时,可有效避免参考机器人过度远离问题,使得机器人完成避障任务后能够快速的回到参考轨迹曲线上,使得机器人的能量消耗减少。

An Obstacle Avoidance Method for Mobile Robots Based on Adaptive Gravitation

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应引力的移动机器人避障方法
本专利技术属于轮式机器人运动控制
,涉及到轮式移动机器人轨迹跟踪过程中自主避障时的参考轨迹变化问题,尤其是当障碍物情况较复杂或机器人完成避障时间较长时,如何避免参考轨迹机器人过度远离问题,使得机器人轨迹跟踪完成自主避障任务后能够快速回到参考轨迹曲线上。
技术介绍
随着机器人的应用越来越广泛,人们对机器人的要求也越来越高,特别是移动机器人在运动过程中与周围环境交互的能力。移动机器人的自主性体现为移动机器人能够根据传感器采集到的环境信息安全有效的避开行进中的障碍物,并朝目标方向前进。轮式移动机器人运动控制技术中的一个关键技术为轨迹跟踪控制。在轨迹跟踪过程中机器人会遇到障碍,机器人需要能够在未知环境下的轨迹跟踪过程中安全、有效地绕开障碍物,避障完成后继续跟踪参考轨迹曲线运动。此类问题就是移动机器人轨迹跟踪控制过程中的自主避障问题。轨迹跟踪控制的参考轨迹曲线是和时间相关的函数,轨迹跟踪得过程可以看做是当前机器人跟踪参考机器人的运动,参考机器人的位置姿态由参考轨迹曲线和时间决定。在机器人避障的过程中,若障碍物情况较复杂或机器人完成避障时间较长时,参考机器人的位置会与机器人当前位置形成较大误差,这样会导致当前机器人以最快速度进行追踪参考机器人,并且这段追踪过程机器人并不在参考轨迹曲线上运动。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于解决机器人在轨迹跟踪过程中自主避障时,参考机器人位置过度远离问题,提供了一种基于自适应引力的移动机器人避障方法,当障碍物情况较复杂或机器人完成避障时间较长时,可有效避免参考机器人过度远离问题,使得机器人完成避障任务后能够快速的回到参考轨迹曲线上。本专利技术采用如下技术方案:一种基于自适应引力的移动机器人避障方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1)建立参考轨迹曲线的表达式;步骤2)自适应引力设计,得到自适应引力取值;步骤3)将自适应引力作用在时间尺度上,得到基于引力的参考轨迹曲线;步骤4)通过参考轨迹曲线确定模糊控制器的输出;当机器人在轨迹跟踪过程中未检测到障碍物时,机器人的控制量由轨迹跟踪控制器的输出决定,当机器人检测到的障碍物且距离很近时,当前机器人的控制量由模糊控制器的输出决定。所述参考轨迹曲线包括直线或圆或曲线。所述自适应吸引力取值为其中θΔ为两机器人的连线与参考机器人朝向形成的夹角,dΔ为机器人与参考机器人的距离,ks为引力系数,d0为最小引力距离。所述步骤3),具体为:将自适应引力作用在时间步长T上,引入一个时间尺度系数kt,则参考轨迹曲线生成的表达式为其中:(xr,yr)是参考机器人在世界坐标系下的期望位置坐标,fxfy分别为x轴,y轴的轨迹函数。所述步骤4)具体为:将模糊控制器的输出v1、w1和轨迹跟踪控制器的输出v2、w2加权求和作为机器人的前进速度和转向角速度控制量vc、wc;并引入一个加权系数λ,则有式中dmin∈[0,b3],b3为模糊控制器距离尺度等级的第三等级距离;当机器人在轨迹跟踪过程中未检测到障碍物时dmin=b3,λ=1,机器人的控制量由轨迹跟踪控制器的输出决定;当机器人检测到障碍物且距离很近时,其控制量由模糊控制器的输出决定。由上述对本专利技术的描述可知,与现有技术相比,本专利技术具有如下有益效果:本专利技术提供了一种基于自适应引力的移动机器人避障方法,当障碍物情况较复杂或机器人完成避障时间较长时,可有效避免参考机器人过度远离问题,使得机器人完成避障任务后能够快速的回到参考轨迹曲线上,使得机器人的能量消耗减少。附图说明图1是移动机器人跟踪与避障的决策控制框图;图2是完成避障后过度远离参考机器人跟踪情况;图3是当前机器人与参考机器人相对位置情况;图4为当dΔ>>d0且θΔ又是接近π/2的相对位置情况;图5是轨迹跟踪过程中遇到凹形特殊障碍物情况;图6是未处理圆形轨迹曲线参考轨迹生成时的自主避障情况;图7是基于自适应引力圆形轨迹曲线动态参考轨迹生成时自主避障情况;图8是未处理任意轨迹曲线参考轨迹生成时的自主避障情况;图9是基于自适应引力的任意曲线动态参考轨迹生成方时的自主避障情况;以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详述。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术作进一步的描述。图1是移动机器人的跟踪与避障加权系统,模糊控制器的输出为v1、w1,轨迹跟踪控制器的输出为v2、w2,将两个输出加权求和作为轮式移动机器人的前进速度和转向角速度控制量vc、wc,来调节机器人的一系列运动形式。当前方没有障碍物时,机器人会跟踪参考轨迹曲线运动,当前方出现障碍物时,机器人会自主躲避,完成躲避后再继续跟踪参考轨迹曲线。图2是当障碍物情况较复杂或机器人完成避障时间较长时,参考机器人会过度远离,当前机器人的位置会与参考机器人的位置形成较大误差,这样会导致当前机器人以最快速度进行轨迹跟踪,并且这段减小误差的轨迹跟踪运动并不在参考轨迹曲线上。图3是当前机器人与参考机器人相对位置情况,当θΔ为钝角时(θΔ∈(π/2,π])应该让参考机器人慢下来等待当前机器人,当θΔ为锐角或直角时(θΔ∈[0,π/2]),此时应该让参考机器人加快速度。图4为当dΔ>>d0且θΔ接近π/2的情况,参考机器人应该保持原来的生成速度,此时不应该过度改变时间尺度。图5是轨迹跟踪过程中遇到凹形特殊障碍物情况,此时如果参考机器人位置由于长时间存在钝角,参考时间节点往后退太多,就会形成死区,机器人无法绕开障碍物。一种基于自适应引力的移动机器人避障方法,包括以下过程:步骤1)建立参考轨迹曲线的表达式改变动态轨迹的生成,首先需要建立参考轨迹曲线的表达式。轨迹跟踪过程中的参考轨迹曲线一般是与时间相关的函数,通过改变时间的尺度或节点,就可以动态的改变参考轨迹曲线生成的快慢。轨迹曲线的表达式如下所示(xr,yr)是参考机器人在世界坐标系下的期望位置坐标,fxfy分别为x轴,y轴的轨迹函数。步骤2)自适应引力设计,得到自适应引力取值(1)当障碍物复杂且机器人避障时间较长时,由于参考机器人过度的远离当前机器人。此时两机器人的连线与参考机器人朝向形成的夹角θΔ为钝角(θΔ∈(π/2,π]),此时应该有一个吸引力使参考轨迹生成速度慢下来,通过改变参考轨迹生成的时间尺度或节点,这里引入一个吸引力Fa,作用在时间尺度上,且机器人与参考机器人的距离dΔ越远,吸引力Fa越大。吸引力Fa和dΔ的关系可以考虑为式中ks为引力系数,d0为最小引力距离,只有当dΔ>d0时,才需要改变吸引力Fa的大小。但是当dΔ>>d0且θΔ接近π/2的情况,此时不应该让参考机器人慢下来,应该保持原来的生成速度。因此对式(2)进行变形当θΔ接近π/2的情况,可以减弱dΔ对吸引力Fa的影响。(2)当θΔ为锐角或直角时(θΔ∈[0,π/2])时,应该让参考轨迹曲线加快生成,这里引入一个吸引力Fb,改变参考轨迹生成的时间尺度上,同样dΔ越远,吸引力Fb越大。吸引力Fb和dΔ的关系可以考虑为综上对于机器人跟踪参考轨迹曲线过程中的避障问题,基于自适应引力的移动机器人避障方法的自适应引力F取值为步骤3)引力作用在时间尺度上,得到基于引力的参考轨迹曲线实际应用中轨迹曲线的生成表达式一般为离散形式,可以把引力作用在时间步长T上,这里引入一个时间尺度系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自适应引力的移动机器人避障方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1)建立参考轨迹曲线的表达式;步骤2)自适应引力设计,得到自适应引力取值;步骤3)将自适应引力作用在时间尺度上,得到基于引力的参考轨迹曲线;步骤4)通过参考轨迹曲线确定模糊控制器的输出;当机器人在轨迹跟踪过程中未检测到障碍物时,机器人的控制量由轨迹跟踪控制器的输出决定,当机器人检测到的障碍物且距离很近时,当前机器人的控制量由模糊控制器的输出决定。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应引力的移动机器人避障方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1)建立参考轨迹曲线的表达式;步骤2)自适应引力设计,得到自适应引力取值;步骤3)将自适应引力作用在时间尺度上,得到基于引力的参考轨迹曲线;步骤4)通过参考轨迹曲线确定模糊控制器的输出;当机器人在轨迹跟踪过程中未检测到障碍物时,机器人的控制量由轨迹跟踪控制器的输出决定,当机器人检测到的障碍物且距离很近时,当前机器人的控制量由模糊控制器的输出决定。2.如权利要求1所述的一种基于自适应引力的移动机器人避障方法,其特征在于,所述参考轨迹曲线包括直线或圆或曲线。3.如权利要求1所述的一种基于自适应引力的移动机器人避障方法,其特征在于,所述自适应吸引力取值为其中θΔ为两机器人的连线与参考机器人朝向形成的夹角,dΔ为机器人与参考机器人的距离,ks为引力系数,d0为最小引力距离。4.如...

【专利技术属性】
技术研发人员:聂卓赟刘建聪郑义民詹瑜坤
申请(专利权)人:华侨大学
类型:发明
国别省市:福建,35

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