基于混合整数线性规划的爬壁机器人路径规划

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1、2013年6月北京航空航天大学学报June2013第39卷第6期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．39No．6基于混合整数线性规划的爬壁机器人路径规划岳荣刚王少萍(中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室，北京100094)(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191)摘要：为研究City．Climber爬壁机器人在3D建筑物环境中的路径规划问题，基于混合整数线性规划(MILP，MixedIntegerLinearProgramming)，提出了一种适用于City-

2、Climber的路径规划方法．为了用MILP方法解决避障问题，首先用限制机器人控制输入的方法对City-Climber的数学模型进行解耦和线性化，再介绍了用MILP方法对控制输入进行描述的数学表达式，并提出了适用于爬壁机器人的新型代价函数，最后以一个方形房间为运动环境，用AMPL和CPLEX优化软件，以及Matlab软件解算路径规划问题．仿真结果表明：MILP方法较好地解决了City—Climber在3D环境下的路径规划和避障问题．关键词：爬壁机器人；混合整数线性规划；路径规划；避障中图分类号：TP242．6文献标识码：A文章编号：1001—5965(2013

3、)06-0792-06PathplanningofaclimbingrobotusingmixedintegerlinearprogrammingYueRonggang(QianXuesenLaboratoryofSpaceTechnology，ChinaAcademyofSpaceTechnology，Beijing100094，China)WangShaoping(SchoolofAutomationScienceandElectricalEngineering，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，B

4、eijing100191，China)Abstract：Tostudypathplanningproblemin3DbuildingenvironmentsforaclimbingrobotwhichisnamedasCity—Climber，apathplanningmethodusingmixedintegerlinearprogramming(MILP)wasdevel—oped．InordertouseMILPtosolveobstacleavoidanceproblems，therobotdynamicmodelwassimplifiedanddec

5、oupledintolinearsystembyintroducingarestrictingadmissiblecontr01．Thedecoupledmodelcanbere-writtenasalinearprogramwithmixedintegerlinearconstraintsthataccountforthecollisionavoidance．More·over，anewcostfunctionthatissuitableforwall—climbingrobotwasproposed．Akeybenefitofthisapproachist

6、hatthepathoptimizationcanbereadilysolvedusingtheAMPLandCPLEXoptimizationsoftwarewithaMatlabinterface．SimulationresultsinacuboidroomshowthattheframeworkofMILPissuitedforpathplan-ningandobstacleavoidanceproblemsfortheclimbingrobotin3Dbuildingenvironments．Keywords：climbingrobot；mixedin

7、tegerlinearprogramming(MILP)；pathplanning；obstacleavoid-anPe爬壁机器人可以在地面、墙壁和天花板上运动，完成建筑物的清洗、喷漆、检测等工作．纽约市立大学研制了数代爬壁机器人。1。2。，本文研究的机器人名为City—Climber．多数地面机器人在2D环境中运动，无人机在3D环境中运动，而爬壁机器人在一种受限的3D环境中运动，其运动被限制在三维空间中的平面上，如地面、墙壁和天花板等．这使得爬壁机器人的路径规划变得困难，要求机器人不仅能从一个平面运动到另一个平面，且要避免与其他机器人或障碍相撞．混合整数线性

8、规划(MILP，MixedIntege