基于RRT算法改进的移动机器人路径优化

摘要随着科技的进步，移动机器人在各方各面都在发挥着举足轻重的作用，同时也成为了科技工作者研究的重要方向。当然移动机器人路径规划技术是移动机器人技术的核心之一，其在社会中的重要性也愈来愈明显。该论文主要是研究在已知环境中的移动机器人路径规划算法，提出了一种改进的路径规划算法。通过对经典RRT算法的深入研究，在此基础上提出了两种改进算法，旨在提高算法的路径搜索效率、减少规划路径长度和优化路径。主要的研究内容是在障碍物环境中，针对经典RRT算法在全局环境下随机性大的问题，借鉴人工势场法中目标引力思想和双向搜索策略，提出一种基于目标引力的双向RRT路径规划算法。该算法采用目标引力思想后只需局部采样，使随机树朝着目标点方向生长：引用双向搜索策略，使随机树从初始点和目标点同时出发扩展生长。该改进算法在少障碍物环境下有效解决了随机性大问题，提高了路径搜索效率、减少了规划路径长度和优化了路径。最后论证此方法的可行性。关键词：路径规划RRT算法目标引力双向搜索：目录第一章绪论1.1研究背景与意义..1.1.1国外研究现状概况...11.1.2国内研究现状概况...11.2论文研究的主要内容..第二章传统的移动机器人路径规划方法.................32.1传统全局路径规划方法32.1.1拓扑法...32.1.2可视图法...32.1.3自由空间法...…32.1.4栅格法.....2.2传统局部路径规划方法2.2.1人工势场法....2.2.2遗传算法....……42.2.3模糊逻辑算法....2.2.4蚁群算法.........…52.3本文研究的路径规划方法主要思路..5第三章经典RT算法的移动机器人路径规划研究·73.1经典RRT算法环境空间模型构建...............73.2经典RRT算法基本原理......73.3经典RRT算法基本流程......…9第四章基于目标引力的RRT路径规划算法·124.1目标引力思想............124.2引入目标引力思想.....13第五章基于目标引力的双向RRT路径规划算法175.1双向搜索........175.2改进算法的流程....18第六章实验仿真与结果分析..·206.1实验仿真.206.2结果分析....25第七章课题总结.·26第一章绪论1.1研究背景与意义随着科技的进步，移动机器人在各方各面都在发挥着举足轻重的作用，其在社会中的重要性也愈来愈明显。移动机器人技术是人类科学发展过程中的一次革新，随着技术的不断进步，该技术不仅改善了许多领域中市场的工作环境与秩序，还促进了当前各行业生产效率的提高。移动机器人作为集多功能于一体的强大综合系统，其工作能力不止来源于周围环境感知和路径规划技术，还来自运行方向控制与实时执行力等技术。基于移动机器人技术的研究成果，目前全球各国政府已在该技术上加大了越来越多的关注与资金投入[1]。随着我国工业4.0的不断推进，移动机器人技术目前研究方向主要有定位与跟踪、对象识别和路径规划等，而路径规划技术是其中最重要的研究方向[2]。实质上，移动机器人路径规划技术的研究就是对路径规划算法的研究。1.1.1国外研究现状概况在国外，最早关于移动机器人路径规划技术的研究来自美国。于70年代初期，学者Nils Nilssen等人研发出全世界第一个移动机器人一Shakey。在较为复杂的环境下，Shakey能够识别障碍物，通过获取的信息进行路径规划。直到1991年，移动机器人的技术研究才开始进入一个新风向，主要目标方向是研究移动机器人在实际环境下的路径规划和运动控制。2011年，美国国家航空航天局研发的“机遇号(Opportunity)“和“好奇号(Curiosity),在它们的结构中装备了用于避障、视觉导航和数据分析的摄像机。目前，无人驾驶汽车已经成为了各国的研究热门，尤其在美国，无人驾驶技术已经应用在现实生活中。Google和Tesla等美国企业都已经推出了自己独立或同第三方合作的无人驾驶汽车。1.1.2国内研究现状概况相对于国外，中国对移动机器人技术研究基本处于滞后阶段，无法企及同时期的一些发达国家。直到我国的“863计划确定阶段初期，才成立了我国自动化领域智能机器人课题。在人工智能研究方面，我国的人力、财力投入每年也在不断增加，这一政策为国内移动机器人的研究提供了一定的经济基础。1994年，清华大学在移动机器人方面的研究成果获得国家认定，其中主要涉及到的核心技术：其一，基于移动机器人路径规划的实验仿真技术：其二，计算机和传感器技术：其三，智能移动机器人的设计。2010年研制的HT移动机器人可以实现很多复杂的动作，如静态，动态步行：转身，下蹲：爬楼梯，小幅度跳跃等复杂动作，展示了该校在移动机器人路径规划技术研发上的成功突破。虽然我国在移动机器人研究方面与国外存在一定的差距，但是，我国在服务机器人技术方面已经拥有良好的发展态势，并取得较好的研究成果，许多产品已经被广泛应用于服务和娱乐领域1.2论文研究的主要内容本文主要讨论基于少障碍物环境下改进的RT路径规划算法，针对经典RRT算法在少障碍物环境下进行路径规划时存在随机性大、路径长和搜索效率低等问题，提出基于目标引力的双向RRT算法。目标引力可以引导随机树朝着目标方向生长，避免了对全局空间进行随机采样，减少了路径规划时间，改善了随机树的生长方向：再引入双向搜索功能，于起始点处扩展一棵随机树，同时在目标点处扩展另一棵随机树，直到两棵树的节点在状态空间中相遇后生成一条完整的路径。最后通过实验分别与经典RRT算法、基于目标引力的RRT算法对比，证明基于目标引力的双向RRT算法能够有效减小随机性、缩短路径长度、提高路径搜索效率，使规划出的路径更优。2