用于三维空间中移动机械臂路径规划的主从式协进化方法技术

本发明专利技术公开了一种用于三维空间中移动机械臂路径规划的主从式协进化方法，该方法能够保证达到系统整体性能而不是子系统性能最优的效果；尤其是在既有空间障碍物又有地面障碍物的情况下能有效避免碰撞并找到一条较优的路径。

Principal and subordinate co evolution method for path planning of mobile manipulator in three-dimensional space

The invention discloses a method for master-slave co evolution method of path planning for mobile manipulator in three-dimensional space, this method can ensure the overall performance of the system rather than the system performance optimal effect; especially can effectively avoid collision and find a better path in both space and ground obstacles obstacles under the condition of.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种路径规划方法，尤其涉及一种。
技术介绍
路径规划是移动机械臂中的一个基本问题，即寻找起始位姿和终态位姿之间可行的连续路径。此外，还需要考虑到相关指标如路径、时间等的优化以及障碍物避碰等。移动机械臂有很高的自由度，且要在三维空间而不是平面中进行规划，因此加大了路径规划的难度。移动机械臂是一个包含机械臂和移动平台的组合系统，在规划中如何协调这两者的关系成为重点。前人提出了很多解决方法Pin和culioli利用变换位姿将其转换为多目标优化问题，但对两个机械臂和移动平台使用一个目标函数进行优化，难以实现整体性能最优。yamamoto提出首选操作区的概念，实际是先移动平台至合适位置再移动机械臂， 未能发挥出移动机械臂在可移动性和可操作性上的优势，且很容易造成行进中臂的碰撞。 saraji把整个系统视为一个冗余的机械臂来进行规划，忽略了机械臂和移动平台在性能上的差异。李新春等提出了一种分级协调的路径规划方法，将平台和机械手分别选择目标函数进行规划，但其编码方式过于简单，且并未考虑到机械臂对平台所造成的影响。为了考虑移动平台和机械臂相互之间的影响，我们想到了协进化遗传算法。协进化遗传方法是在传统遗传方法基础上改进得到的，传统遗传方法中将问题的解编码为个体，进行选择、交叉、变异等操作，并根据适应度函数来对进化后的个体进行筛选，最终搜索出解空间里较优的解。而协进化遗传方法不仅考虑到了种群内的进化，还考虑到不同种群对各自进化的影响，各种群独立进化后会选出代表，进入环境模型进行共同进化，得到新的适应度并返回原种群，影响原种群的进化，从而达到共同进化的目标。协进化方法的基本步骤如图2。协进化遗传方法中的不足之处在于第一，对于差异明显的两个种群，协作的难度较大，因为协进化方法是不影响种群内的进化的，它只是利用环境模型对各种群代表所组成的“联合种群”进行了进化操作并得出新的适应度返回原种群，如果种群间差异过大，可以导致无法对“联合种群”进行进化操作行为。第二，该方法是一种并行操作的方法，即各种群各自单独进化，再进行共同进化，因此对于强耦合的个体无法使用，而本专利技术所针对的实际系统正是一个强耦合的系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种。为了实现上述的目的，本专利技术采取如下技术方案一种，包括以下步骤(1)利用视觉系统得到环境的整体信息。(2)构建环境模型和移动机械臂模型，并对个体进行编码。(3)以移动平台作为规划主导，根据线性同余法为系数随机产生表示移动平台初始路径的路径序列。(4)对初始路径进行遗传算法操作，进化100代后，得到适应度高且无碰撞的路径集。(5)从路径集中选出适应度高的进行离散操作。(6)在离散路径的基础上进行机械臂的遗传算法操作，得到臂的最优角度序列。(7)查看所得序列是否会引起碰撞或角度变化剧烈，若有则对机械臂角度进行光滑处理，并调换角色，以臂作为主导对移动平台重新进行路径规划，若无则转入下一步。(8)评估机械臂和移动平台的整体性能，若达到所设定的阈值则算法结束，若未达到所设定的阈值则从移动平台的路径集中重新选择次优路径进行机械臂的进化，如此直到到达阈值要求，算法结束。(9)将最终所得结果应用于实际移动机械臂平台，使其可以按较优路径从起始态到达目标态。本专利技术的有益效果是，能够保证移动机械臂系统的整体性能较优，且由于平台先独立进行进化，因此更易找到平台在全局空间中的最优解，并通过主从角色的调换，可以有效进行机械臂和移动平台的协作，防止空间内发生的碰撞。附图说明图1是本专利技术中双目视觉中的几何关系图。图2是本专利技术中协进化遗传算法的流程图。图3是本专利技术中机械臂和小车模型图。图4是本专利技术中主从式协进化方法流程图。具体实施例方式本专利技术专利是利用主从式协进化方法实现三维空间中移动机械臂路径规划。该方法的原理是仿照人类的社会活动情况，在群体活动中总是有部分人为主导地位，主导整个群体的发展方向，另一部分人属于从属地位，帮助推动群体的发展。而且这种地位并不是不变的，而是随着所面临的环境和个人经验对群体的贡献大小而发生改变的。在本文所述移动机械臂中，包含移动平台和机械臂，给这两个子系统分配领导者和协助者的角色。首先由移动平台担任领导者的角色，完成地面上的路径规划，得到一条最优路径。 然后由协助者一机械臂在领导者完成的任务基础上完成自己的任务规划无碰撞且较优的位姿。由于有碰撞的个体也可能在下一代的进化中转变成为无碰撞的，因此在算法中并没有将有碰撞的个体去除，而只是给它定义了一个罚函数。因此当协助者完成任务后会再次进行一个评估，即看它是否得到无碰位姿，所得到的位姿是否不会发生剧烈震荡，若是则得到移动机械臂最优解，若不是则调换角色，以机械臂作为领导者，对位姿先进行优化，然后车作为协助者重新进行进化。最后还要再进行移动机械臂整体的适应度评估，若达到一个阈值则算法结束，若达不到则在第一步所得移动平台路径集中选出次优解再次进行上述过程。本专利技术，包括以下步骤1.利用视觉系统得到环境的整体信息。通以双目相机对同一物体从不同位置成像获得立体图像，融合左右相机获得的立体图像，并察觉它们之间的差别(视差)，根据它们自身相对的几何学计算左右图像的关系， 使计算机能够导出深度信息。两个已知内参数的摄像机观察同一个场景点，它的3D坐标可以用两条射线的交点计算出来，这是立体视觉(Stereo Vision)的基本原理。为了获得3D坐标，一般需要三个步骤获得摄像机的内参数；在左右图像中的点之间建立对应点对；重构场景中点的深度信息。图1给出了两个摄像机系统的几何学。其中场景点为P(AP) ,PlPr分别是P(^z)在左相机和右相机拍摄的图像点，在以像素为单位的图像坐标系 。￥l禾口 2V2中坐标分别为(x. y)。以左相机中心为坐标原点，根据视差理论计算可得到对应点的关系为权利要求1.一种，其特征在于，包括以下步骤(1)利用视觉系统得到环境的整体信息；(2)构建环境模型和移动机械臂模型，并对个体进行编码；(3)以移动平台作为规划主导，根据线性同余法为系数随机产生表示移动平台初始路径的路径序列；(4)对初始路径进行遗传算法操作，进化100代后，得到适应度高且无碰撞的路径集；(5)从路径集中选出适应度高的进行离散操作；(6)在离散路径的基础上进行机械臂的遗传算法操作，得到臂的最优角度序列；(7)查看所得序列是否会引起碰撞或角度变化剧烈，若有则对机械臂角度进行光滑处理，并调换角色，以臂作为主导对移动平台重新进行路径规划，若无则转入下一步；(8)评估机械臂和移动平台的整体性能，若达到所设定的阈值则算法结束，若未达到所设定的阈值则从移动平台的路径集中重新选择次优路径进行机械臂的进化，如此直到到达阈值要求，算法结束；(9)将最终所得结果应用于实际移动机械臂平台，使其可以按较优路径从起始态到达目标态。2.根据权利要求1所述，其特征在于，所述步骤(1)中，以双目相机采集图像，并对图像进行SURF特征点检测和特征点匹配，以得到环境中障碍物所在的空间位置。3.根据权利要求1所述， 其特征在于，所述步骤(2)具体为，将移动平台膨胀为空间中的一个点，该点有三个自由度 X, Y,航向角炉，满足非完整约束知sm9 ->scosiP=0 ,本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于三维空间中移动机械臂路径规划的主从式协进化方法，其特征在于，包括以下步骤：（１）利用视觉系统得到环境的整体信息；（２）构建环境模型和移动机械臂模型，并对个体进行编码；（３）以移动平台作为规划主导，根据线性同余法为系数随机产生表示移动平台初始路径的路径序列；（４）对初始路径进行遗传算法操作，进化１００代后，得到适应度高且无碰撞的路径集；（５）从路径集中选出适应度高的进行离散操作；（６）在离散路径的基础上进行机械臂的遗传算法操作，得到臂的最优角度序列；（７）查看所得序列是否会引起碰撞或角度变化剧烈，若有则对机械臂角度进行光滑处理，并调换角色，以臂作为主导对移动平台重新进行路径规划，若无则转入下一步；（８）评估机械臂和移动平台的整体性能，若达到所设定的阈值则算法结束，若未达到所设定的阈值则从移动平台的路径集中重新选择次优路径进行机械臂的进化，如此直到到达阈值要求，算法结束；（９）将最终所得结果应用于实际移动机械臂平台，使其可以按较优路径从起始态到达目标态。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马遥，刘山，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86