移动机器人局部路径规划的人工力矩方法

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智能移动机器人的局部路径规划问题是机器人学中一个基本和富有挑战性的问题。对于该问题,现有解决方法的性能几乎都难以令人满意。多机器人队形控制的人工力矩方法由于使用了一种特殊的个体机器人模型,即每个机器人上都有一条基本运动方向线(Principal Motion Direction line, PMDline),从而在移动机器人的运动控制方面显示出了特有的优势。本文分别针对个体与多机器人的局部路径规划问题将现有的人工力矩方法进行了如下推广与扩展。首先针对个体机器人的局部路径规划问题提出了连接功能线段的概念并给出了N型和B型连接功能线段的设置规则,以防止机器人进入过分狭窄的区域和减少知识障碍墙条数以降低计算负担。提出了基于吸引线段计算吸引点的思想并给出了计算新吸引线段的三个条件。给出了基于单侧与闭合切点计算新吸引线段的方法。设计了吸引矩、排斥矩和一个人工力矩运动控制器。得到了一种新的个体机器人局部路径规划方法:切点式人工力矩方法并给出了其一般步骤。然后,针对切点式人工力矩方法在一些复杂情况下计算量过大、难以保证性能与收敛的缺点提出了一种基于关键障碍功能线段集计算新吸引线段的方法。给出了关键障碍功能线段集的计算方法和新的B型连接功能线段的设置规则。得到了一种新的常能在复杂环境下取得更好效果的个体机器人局部路径规划方法:障碍功能线段式人工力矩方法并给出了其一般步骤。最后针对多机器人的局部路径规划问题,将障碍功能线段式人工力矩方法中吸引线段的计算和连接功能线段的设置等方法推广到了多机器人领域。提出了基于吸引角确定机器人PMDline方向的思想。给出了吸引角的计算和在机器人靠近其目标点时吸引点的改进方法。提出了协调矩的概念以化解机器人间的冲突。设计了用于多机器人路径规划的吸引矩、排斥矩、协调矩和人工力矩运动控制器,从而得到了一种多机器人局部路径规划的人工力矩方法。文中还对提出的多种人工力矩方法的相关性能,如目标的全局可达性、系统的安全性等作了比较深入的分析,给出了多个相关定理及证明。大量的仿真结果表明,文中所提方法不但可行而且在各种环境中都表现出了诱人的性能。
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