一種複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法
2023-07-07 08:14:06
一種複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法
【專利摘要】本發明的複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法，包括：a).定義初始和終點位形；b).通過聲吶傳感器檢測障礙物；c).將置信度＜的障礙物捨去；d).定義障礙物空間；e).生成區域=；f).判斷障礙物是否屬於空間，；g).判斷障礙物空間是否建立完畢；h).建立雙向搜索隨機樹和；i).隨機生成位形；j).獲取新位形、與；k).判斷樹和是否已連接；l).直線路徑的擬合；m).運動控制；n).判斷是否有新的障礙物存在。本發明的運動規劃與控制方法，提出了科學、合理、完整的拖掛式移動機器人在複雜環境下運動路徑的規劃和控制方法，為研究無人駕駛的的拖掛式移動機器人在存在障礙物環境下的運行奠定了理論基礎。
【專利說明】一種複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法，更具體的說，尤其涉及一種可繞開障礙物並在運行的過程中根據檢測到的新障礙物來修改路徑的複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法。
【背景技術】
[0002]拖掛式移動機器人(Tractor-trailer Mobile Robot,TTMR)是一種較為特殊的移動機器人，它由位於最前端的牽引車(tractor)和由之拖動的多個被動的拖車(trailer)組成，牽引車執行轉向和驅動功能，而拖車跟隨牽引車運動。拖掛式移動機器人一方面具有移動機器人的運動能力，另一方面可以拓展移動機器人的其它功能。例如清潔機器人，可以在移動機器人後拖掛一個清掃和收集垃圾的卡車，從而降低成本，提高效率；另外，救援機器人可以通過拖掛增加其運輸能力，同時拖車節數也可以靈活改變，以便運輸大量物體。
[0003]目前，拖掛式移動機器人的研究對象主要為室內服務機器人，如清潔機器人，救援機器人，在工廠倉庫、機場用於運輸貨物、搬運行李、貨物中轉等任務的運輸機器人。國際機器人技術聯合會對服務機器人有一個初步的定義:服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益於人類的服務工作，但不包括從事生產的設備。從廣義上可以認為服務機器人是指除工業機器人之外的各種機器人，主要應用於服務業，如水下機器人、清潔機器人、救援機器人等。目前，服務機器人正在以飛快的速度發展壯大。根據IFR的調查，1998年底，世界服務機器人的總數(不包括真空吸塵機器人)估計為最少5000臺，而到2009年底，約有76，600臺服務機器人在世界範圍內得到應用，並且預計家用機器人(domestic robot)將成為服務機器人的主要支柱。
[0004]複雜環境下的運動控制問題是機器人學中研究人工智慧的一個重要方面，也是機器人在應用中必須解決的重要問題。當拖掛式移動機器人在有障礙物環境下運動時，需要避開障礙物，保證牽引車和拖車不與障礙物發生碰撞並運行到目標位置。但現在還沒有一種行之有效的路徑規劃和控制方法，在保證路徑最優的情況下可迅速地抵達目的位置。
【發明內容】
[0005]本發明為了克服上述技術問題的缺點，提供了一種可繞開障礙物並在運行的過程中根據檢測到的新障礙物來修改路徑的複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法。
[0006]本發明的複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法，拖掛式移動機器人包括牽引車和拖車，牽引車與拖車之間通過連結點相連接，連結點處設置有用於測量拖車的車體縱向線相對於牽引車的車體縱向線轉動角度的角度傳感器；牽引車由後輪驅動、前輪轉向，牽引車前轉向輪的轉向角速度為? ,牽引車的縱向速度為v ,且車輪與地面無滑動；牽引車驅動輪與轉向輪之間的距離為，拖車的輪軸中點到連結點的距離為i連接軸的長度為4 ;牽引車的左、右驅動輪可分別進行驅動，並通過左、右驅動輪的不同轉速實現轉向；牽引車上設置有聲吶傳感器，可實時檢測O~360°空間內的障礙物信息，設聲吶傳感器的有效檢測距離為β；
定義W>'A )為坐標系OXY中牽引車和拖車的位形，I =1時表示牽引車的位形,=2時表示拖車的位形；乃)為牽引車後輪軸中心點的坐標，(?,?)為拖車輪軸中線點的坐標；4為方位角，表示車體縱向線相對於坐標系軸正向所旋轉的角度；免為牽引車的轉向角，表示牽引車轉向輪與車體縱向線之間的夾角；牽引車可獲取自身車體縱向線相對於坐標系JT軸正向所旋轉的角度巧、急為牽引車左、右驅動輪的速度；
【權利要求】
1.一種複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法，拖掛式移動機器人包括牽引車和拖車，牽引車與拖車之間通過連結點相連接，連結點處設置有用於測量拖車的車體縱向線相對於牽引車的車體縱向線轉動角度的角度傳感器；牽引車由後輪驅動、前輪轉向，牽引車前轉向輪的轉向角速度為?,牽引車的縱向速度為I且車輪與地面無滑動；牽引車驅動輪與轉向輪之間的距離為4,拖車的輪軸中點到連結點的距離力U連接軸的長度為4 ;牽引車的左、右驅動輪可分別進行驅動，並通過左、右驅動輪的不同轉速實現轉向；牽引車上設置有聲吶傳感器，可實時檢測O~360°空間內的障礙物信息,設聲吶傳感器的有效檢測距離為β； 定義(?,乃肩)為坐標系OZT中牽引車和拖車的位形，I =1時表示牽引車的位形，i =2時表示拖車的位形；(％?)為牽引車後輪軸中心點的坐標，0?,?)為拖車輪軸中線點的坐標；H為方位角，表示車體縱向線相對於坐標系X軸正向所旋轉的角度；供為牽引車的轉向角，表示牽引車轉向輪與車體縱向線之間的夾角；牽引車可獲取自身車體縱向線相對於坐標系I軸正向所旋轉的角度巧；4、盡為牽引車左、右驅動輪的速度； 其特徵在於，所述拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法通過以下步驟來實現: a).定義初始和終點位形,設初始位形為:?=0, J1 =0, ^ = = 31，記為點；目標位形為h = C，Λ = D，= % = π，記為XgM點，即要實現拖掛式機器人從點到X^sl(CiD)點運動路徑的規劃與控制； b).檢測障礙物，在初始位形狀態下，牽引車通過聲吶傳感器檢測周圍的障礙物obsk{H，yk，cerf),其中(?,Λ)表示第&個障礙物的位置坐標，eerk為障礙物的置信度；並通過如下公式求出障礙物的置信度:c?r _? l + tanh(p(^-g))
2.根據權利要求1所述的複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法，其特徵在於，設系統的函數為尤二/(Xa)，步驟i)中新位形I.,和^胃」按照如下方法求取: 1-Ι).首先分別在樹和中求解與相距最近的節點I.】和八η冊_G ； 1-2).選擇控制輸入&，按照如下計算公式:
3.根據權利要求1或2所述的複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法，其特徵在於:步驟j)中判斷新位形與障礙物是否衝突的過程中，是通過判斷新位形毛H 與障礙物之間的距離是否在一定的數值之內；如果在一定的數值之內，則表明新位形與障礙物存在衝突；如果不在一定的數值之內，則表明新位形與障礙物不衝突。
4.根據權利要求1或2所述的複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法，其特徵在於:步驟j)中，在Awy e或者e Tree _ H的判斷過程中，如果是樹上的節點或者與樹上的任一節點之間的距離小於某一數值，則認為式!w_s.e;同樣地,如果是樹上的節點或者與樹上的任一節點之間的距離小於某一數值，則認為I.』。
5.根據權利要求1或2所述的複雜環境下拖掛式移動機器人的運動規劃與控制方法，其特徵在於，步驟I)中所述的直線路徑的擬合通過以下步驟來實現: 1-1).將求出的曲線路徑的離散點中的起點和終點連接為一條直線； 1-2).計算曲線路徑上各點到直線的最大距離『； 1-3).判斷<<3是否成立，如果成立，則執行步驟1-5);如果不成立，則執行步驟1-4)； 1-4).將< 所對應的點P.插入，作為直線路徑新的端點，形成新的多段直線段，跳轉執行步驟1-2)； 1-5).當前所有直線段組成的路徑，即為拖掛式機器人行走的路徑。
【文檔編號】G05B13/04GK103941737SQ201410194426
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月9日 優先權日:2014年5月9日
【發明者】程金, 張勇, 王中華 申請人:濟南大學