基于局部单元分解的机器人3D路径规划.pdf

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1、·130·科技论坛基于局部单元分解的机器人3D路径规划吴鹏（内蒙古民族大学机械工程学院，内蒙古通辽028000）摘要：本文针对移动机器人在三维受限空间的路径规划，提出了一种基于优先级思想的局部单元分解法，在机器人远离障碍物的时候优先考虑路径最短，当机器人靠近障碍物时优先保证机器人与障碍物避免碰撞。关键词：避障；导引；启发式搜索移动机器人在受限空间移动时，要解决的首要问题是避障路径的获取。随着二维平面移动机器人路径规划技术的日趋成熟，人们研究的重点转移到三维空间机器人路径规划[1]问题。环境模型的精确度直接影响规划路径的效果，目前

2、三维空间环境建模应用最广的是概率路图法和单元分解法。概率路图法过度依赖完整的环境信息很难应用于三维动态环境，而且随着机器人杆件的增加，C空间的复杂度将呈几何级数增加。多分辨率单元分解法减小了存储空间，加快了路径搜索速度，但是面对狭窄通道时同样无能为力，同时也不能保证搜索最短路径[2-3]。本文提出了一种基于优先级思想的局部单元分解法，在机器人远离障碍物的时候优先考虑路径最短，当机器人靠近障碍物时，首先保证机器人与障碍物避免碰撞。1机器人3D环境的避障问题无人直升机或机械臂末端操作器在复杂三维环境中移动，路径规划的目标是获取一条从

3、初始点到目标点花费时间最少行走路程最短的可行性路径。根据两点间直线距离最短，从机器人初始点到目标点的有向线段作为机器人的路径很显然是最理想的。机器人初图1机器人3D空间无碰撞路径始位置在p1点，目标位置在p2点，有向线段p1p2定义为机器人路径的导引线，如果导引线不与障碍物相交或者远离障碍物，那么很幸八个顶点、12条边的中点和以上点的和。运的这条导引线就是机器人的最优路径。当导引线与障碍物相交或4基于A-star算法的避障路径搜索者离障碍物很近时，机器人沿着导引线到达障碍物区域后要避开障A-star算法也是一种启发式搜索算法，它

4、与其他启发式搜索算碍物继续向目标点移动。此时采取的策略是针对障碍物区域局部单法的不同在于重排OPEN的方式。OPEN表重新排序是根据估价函元分解，导引线进入障碍区域的点作为新初始点，导引线离开障碍数信息进行的。设起始结点为S，当前结点为n，目标结点为G，于是区域的点作为新目标点，由搜索算法在障碍区域的自由空间内搜索n的实际代价应该是f*(n)=g*(n)+h*(n)，对于是g*(n)是比较容易得到一条可行性路径，当机器人离开障碍区域后继续沿着导引线移动。的，在搜索的过程中我们可以按搜索的顺序对它进行累积计算，h*那么，障碍区域怎

5、么确定，障碍区域内包含单个障碍物还是多个障(n)是从当前节点到目标节点的最佳路径的估计代价，这里可选当前碍物将是我们急待解决的问题。节点到目标节点的直线距离。2典型障碍物的几何形状及边界5实验结果与结论在给复杂的三维障碍物环境建模时，环境模型的精确度直接影给定机器人初始点和目标点（单位为：mm）分别为：响路径规划的效果。但是，在远离障碍物的自由空间寻找一条可行Xi=(300,300,0)，性路径对模型的细节要求不是很高，所以像圆柱、球、薄面等简单的Xg=(700,700,900)。几何形状是非常好的选择。不但它们包含的信息量少、

6、计算相对简目标任务是搜索自由空间节点，获得从初始节点到目标节点的单，而且它们几乎可以包络所有常见的几何体，例如立方体可以用一条最短无碰撞路径。采用上述搜索算法搜索路径，并对四种邻域球包络，棱柱可以用圆柱包络等。在笛卡尔坐标空间把圆柱、球和薄表示搜索到的路径比较分析。图1给出了各种搜索算法搜索到的机面分别向x、y、z面投影，那么它们在平面内的投影是简单的圆形和器人无碰撞路径。由图中可以看出各种搜索算法搜索到的均能满足矩形。圆形用它的外切正四边形代替构成障碍区域边界，矩形自身不与障碍杆碰撞的要求。图中虚线是6邻域模型的结果，点划线是

7、的边作为障碍物区域的边界，为安全计还可以乘以安全系数以扩大8邻域模型的结果，实线是12邻域模型得到的结果，短实线是26障碍区域。上述方法是针对单障碍物建立的障碍区域，当机器人在邻域模型得到的结果。从图中可以看出，利用26邻域模型搜索到的某一障碍区域搜索可行性路径时进入另一障碍区域是可能的，机器路径是最好的，6邻域和8邻域模型搜索到的路径在经过B样条插人同时在两个障碍区域使路径搜索陷入困境。可采取的方法是首先值后局部呈波浪式前进。这样得到的路径需要与障碍做碰撞检测，计算障碍物间的距离，当多障碍物距离很近或者有交叉时多障碍物如果有碰

8、撞，则调整相应的控制点重新插值。从实验结果可以看出，区间合并为一个障碍区间。文中提出的基于优先级思想的局部单元分解法在三维空间机器人33D空间单元邻域模型路径规划中是一种切实可行的方法。将机器人工作环境沿x、y、z轴方向以定步长s分解为有限的不参考文献重叠立方体