一种基于障碍尺寸同伦策略的机器人轨迹规划最优控制方法技术

一种基于障碍尺寸同伦策略的机器人轨迹规划最优控制方法，首先，根据机器人结构特性建立运动方程、约束条件，用特征圆描述其轮廓。其次，根据作业环境中的障碍信息，用特征圆描述并设定安全距离，建立作业过程中的避障条件。第三，确定机器人轨迹规划问题对应的初始与终端边界条件。第四，将轨迹规划问题转化为以最小化能量消耗的最优控制问题。最后，将构造的最优控制问题转化为一系列子问题，每个子问题中障碍的尺寸相比于前一个子问题不断增大，使用当前子问题的解作为下一个子问题的初始猜测。本发明专利技术利用障碍尺寸同伦策略实现复杂作业环境下机器人点对点轨迹规划问题的高效稳定求解，对于机器人实际作业中面临的轨迹规划问题求解具有重要意义。

An optimal control method of robot trajectory planning based on homotopy strategy of obstacle size

【技术实现步骤摘要】
一种基于障碍尺寸同伦策略的机器人轨迹规划最优控制方法
本专利技术属于机器人轨迹规划领域，涉及一种基于障碍尺寸同伦策略的机器人轨迹规划最优控制方法。
技术介绍
常用的机器人运动轨迹规划方法有图论方法、人工势场法、搜索类方法、快速扩展随机树方法、最优控制方法等。相比于提及的其他几类方法，最优控制方法由于基于机器人的运动学(或动力学)方程，使得规划的轨迹具有天然的可行性。此外，最优控制方法具有简单的数学结构，控制饱和、障碍规避等各类约束可以在统一的框架下进行考虑。机器人实际的作业环境中可能存在着众多的障碍，利用最优控制方法进行求解时将导致非线性程度极高的优化问题，使得求解过程的鲁棒性与效率严重依赖于初始猜测的品质。由于机器人在轨迹规划完成前必须处于精致的等待状态，若求解效率慢或失败，将影响整个作业任务的进程。这一客观事实限制了最优控制方法在实际机器人轨迹规划求解问题中的应用。为此，有必要发展高效的初始化策略，以提高最优控制方法求解复杂障碍环境下机器人轨迹规划问题的性能。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术利用同伦的思想本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于障碍尺寸同伦策略的机器人轨迹规划最优控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：构建机器人相关信息/n步骤1-1：建立机器人的运动方程/n建立描述机器人运动状态的状态空间x，并确定对应的控制变量u，从而建立如下的机器人运动方程：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于障碍尺寸同伦策略的机器人轨迹规划最优控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建机器人相关信息
步骤1-1：建立机器人的运动方程
建立描述机器人运动状态的状态空间x，并确定对应的控制变量u，从而建立如下的机器人运动方程：



其中，t为时间变量；
步骤1-2：确定机器人作业过程中的状态变量和控制变量的约束
机器人作业过程中出于安全考虑，可能对状态变量施加特定的约束条件，将相关的状态变量约束采用如下不等式形式：
CS(x,t)≤0(2)
同时，为防止控制饱和，对控制变量施加特定的约束，将相关的控制变量约束采用如下不等式形式：
CC(u,t)≤0(3)
步骤1-3：采用特征圆描述机器人的轮廓
记机器人特征圆的圆心为O(xc,yc)，半径为rc，则特征圆采用如下方程表示：



步骤2：建立障碍规避条件
步骤2-1：采用特征圆描述作业环境中的障碍
记作业环境中一共有N个障碍，对于第k个障碍，记其特征圆的圆心为Ok(xk,yk)，半径为rk，则特征圆采用如下方程表示：



步骤2-2：设定安全距离以建立避障条件
设定机器人与作业环境中每个障碍的最小安全距离为rs，则机器人与第k个障碍的避障条件表示为：



将公式(6)中N个约束中不等号左端的表达式写作如下的矩阵：



则全部N个避障条件采用如下矩阵形式表示：
H(x,t)≤0(8)
为利用障碍尺寸同伦策略实现对轨迹规划问题的稳定高效...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昕炜，刘洁，刘纯，彭海军，张盛，陈飙松，李云鹏，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21