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专利号: 2019105308952
申请人: 东北林业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于直线偏离度方法的智能体路径规划方法,其特征在于,包括以下步骤:一、建立环境模型,即按照实际环境建立等比例缩小的模型,并对应建立坐标系;

根据原始图构建连通矩阵,矩阵元素只有0和1,1代表两个节点间相连通,0表示两个节点间不连通;

二、添加智能节点,删除与添加节点毫无关联的路线:在原二维地形图中添加智能节点,并删去与添加节点毫无关联的路线,调整后的环境中障碍物数量不变,路线图以拓扑图形式展示;智能节点也是节点;

三、直线偏离度建模:

(3.1)规划的目的是使机器人由起点start,安全地、避免碰撞地沿一条较短路径到达终点end,定义从起点到终点的最佳路径为path,path={p0,p1,....pn},其中p0是起点,也就是start;pn是终点,也就是end;Pi是途中经过的第i个节点;

(3.2)将二维地形转换为拓扑图,并在拓扑图的基础上定义一个关联矩阵map,矩阵元素是表示两个相连通节点的距离;

定义候选集合s记录当前节点的所有相邻节点,并从中选出移动机器人下一步应要前往的节点位置;

(3.3)规定移动机器人下一时刻的目标节点就是拥有最小直线偏离度的节点;具体过程为:

步骤(3.3)所述规定移动机器人下一时刻的目标节点就是拥有最小直线偏离度的节点的过程如下:

定义直线偏离度Q,基准线Line,最小直线偏离度Qmin;规定移动机器人下一时刻的目标节点就是拥有最小直线偏离度Qmin的节点,①基准线Line:当前移动机器人位置与下一个目标节点的连线;

②直线偏离度Q:

Q=disik+diskj‘‑disij‘  (3)其中,i为起始点,k为中间节点,j‘为最终目标节点,dis表示两节点之间的距离;

③最小直线偏离度Qmin:

Q min=min(disik+diskj‘‑disij‘)  (4)其中,k∈[1,n],n为候选集合s所含的节点的个数;

设i为起始点,k为中间节点,j‘为最终目标节点,计算偏离角度θ:θ=arctan((k2‑k1)/(1+k1*k2))  (5)其中,k1、k2分别是直线ik与直线ij‘的斜率,且他们的夹角不为90度,如果为90度时,k不存在,即k1*k2=‑1;

四、实现策略:

4.1、路径path实现策略:

(4.1.1)定义起始节点为start,终点为end,start加入到path中;

(4.1.2)把start能够到达的所有节点加入候选集合s中,通过计算θ去除掉不满足条件的路线,最后计算得到Qmin的节点作为移动机器人下一个前往的目标节点;

(4.1.3)把start替换成(4.1.2)中计算出的下一个目标节点,判断其坐标是否等于end,若相等则终止运算,把end节点添加到path中;否则把下一个目标节点添加到path中跳转至(4.1.2)继续执行,直到到达目标节点end;

4.2、基于连通判断的直线偏离度策略:(4.2.1)将path中未进行过计算的第一个节点,记为当前运算的第一个节点,开始计算,根据连通矩阵进行判断,如果path中的第一个节点除了可以到达第二个节点之外,还可以无碰撞的到达path中的其余节点,则从该路线中的第一个节点开始向终点查找,直至找到一个可以直达的且距离该节点最远的节点,执行(4.2.2);

(4.2.2)找到可以直达的最远的节点j,且j并不是当前节点的下一个节点,则把起始节点到j节点之间的其他非直达路线从path中移除,此时j为当前节点,若j为终止节点end,则跳转到(4.2.3),否则跳转到(4.2.1);

若没有找到符合条件的j,则判断当前节点是不是终止节点end,如果是,则跳转到(4.2.3),否则跳转到(4.2.1);

*

(4.2.3)最终找到的最佳路线,记为path。

2.根据权利要求1所述的基于直线偏离度方法的智能体路径规划方法,其特征在于,在计算偏离度的过程中,当计算得到两个或多个节点的直线偏离度相差小于偏离度阈值时,前往与当前节点相连的其中第一个节点p1,并计算与p1相连的节点的直线偏离度,然后回溯到当前节点,再前往另一个相连节点p2进行相关偏离度计算,直到把这些差别小于偏离度阈值的直线偏离度的节点都遍历完。

3.根据权利要求1或2所述的基于直线偏离度方法的智能体路径规划方法,其特征在于,步骤一进行环境建模时作如下假定:(a)移动机器人在二维有限空间中运动;

(b)机器人运动空间中分布着有限个已知的静态障碍物,障碍物可以用多边形描述且其可以忽略障碍物的高度信息,只用(x,y)平面描述;

(c)为保证路径不太接近障碍物,把障碍物的边界向外扩展,扩展尺寸为机器人本体在长宽方向上最大尺寸的1/2加上传感器最小传感距离;机器人可看做质点,尺寸大小忽略不计;

(d)对于任意二维地形,存在着有限个障碍物,由于这些障碍物的坐标极易测绘,可视为已知信息;将二维地形等比例地缩放到二维坐标系中,便于系统实时获悉机器人与障碍物之间的具体位置;规定坐标数据只记录移动机器人、目标物、障碍物的棱角、以及两个相邻最近的障碍物之间的边角连线的中点;

(e)由于规定移动机器人可以到达障碍物的棱角以及可以绕边行走,为了让按照规划路径后到达目标节点的移动机器人不与障碍物相碰撞,定义一个安全距离d,d=R/3,其中R表示将机器人完全包围的一个圆的直径;

(f)对于障碍物来说,可分为规则障碍物和不规则障碍物,针对不规则障碍物,选取一个合适的多边体将该障碍物完全包裹,使移动机器人可以绕不规则物体完成直线行走;对于不规则障碍物进行多边形包裹,这样障碍物都会有有限个角,多边形的角就是节点;

(g)每个节点Pi在坐标系下的x,y的坐标表示Pi=(Pix,Piy),i=1、2、3、...,i为各个记录节点的编号。

4.根据权利要求1或2所述的基于直线偏离度方法的智能体路径规划方法,其特征在于,步骤二所述添加智能节点的规则如下:(2.1)两个相邻的物体之间只有一条连线,并且标记出连线后的中点;

(2.2)相邻物体之间只能是能够在二者之间相连且距离最短的两个边节点相连;

(2.3)相邻的中点也要用直线相连起来;

(2.4)起始点与最终目标节点都只有一条直线接入这个连通图,即用一条直线连接最终目标节点与最终距离目标节点最近障碍物的最近角点,用一条直线连接起始节点与起始节点最近障碍物的最近角点。