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一種針對(duì)大型凹型障礙物的組合導(dǎo)航算法

李慶華 尤越 沐雅琪 張釗 馮超

李慶華, 尤越, 沐雅琪, 張釗, 馮超. 一種針對(duì)大型凹型障礙物的組合導(dǎo)航算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2020, 42(4): 917-923. doi: 10.11999/JEIT190179
引用本文: 李慶華, 尤越, 沐雅琪, 張釗, 馮超. 一種針對(duì)大型凹型障礙物的組合導(dǎo)航算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2020, 42(4): 917-923. doi: 10.11999/JEIT190179
Qinghua LI, Yue YOU, Yaqi MU, Zhao ZHANG, Chao FENG. Integrated Navigation Algorithm for Large Concave Obstacles[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(4): 917-923. doi: 10.11999/JEIT190179
Citation: Qinghua LI, Yue YOU, Yaqi MU, Zhao ZHANG, Chao FENG. Integrated Navigation Algorithm for Large Concave Obstacles[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(4): 917-923. doi: 10.11999/JEIT190179

一種針對(duì)大型凹型障礙物的組合導(dǎo)航算法

doi: 10.11999/JEIT190179 cstr: 32379.14.JEIT190179
基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金(61701270),齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)青年博士合作基金(2017BSHZ008)
詳細(xì)信息
    作者簡(jiǎn)介:

    李慶華:男,1977年生,副教授,研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理

    尤越:女,1996年生,碩士生,研究方向?yàn)橹悄苈窂揭?guī)劃

    沐雅琪:女,1996年生,碩士生,研究方向?yàn)閺?fù)雜環(huán)境路徑規(guī)劃算法

    張釗:男,1995年生,碩士生,研究方向?yàn)槿斯ぶ悄苓\(yùn)動(dòng)目標(biāo)行為識(shí)別

    馮超:男,1984年生,講師,研究方向?yàn)槁窂揭?guī)劃運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

    通訊作者:

    馮超 cfeng@qlu.edu.cn

  • 中圖分類號(hào): TN96

Integrated Navigation Algorithm for Large Concave Obstacles

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61701270), The Young Doctor Cooperation Foundation of Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences) (2017BSHZ008)
  • 摘要:

    針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航過程中無法規(guī)避大型凹型障礙物問題,該文提出一種多狀態(tài)的組合導(dǎo)航算法。算法按照不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境,將移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)分類為運(yùn)行態(tài)、切換態(tài)、避障態(tài),同時(shí)定義了基于移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間的狀態(tài)雙切換條件。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人處于運(yùn)行態(tài)時(shí),采用人工勢(shì)場(chǎng)法(APFM)進(jìn)行導(dǎo)航,并實(shí)時(shí)觀測(cè)毗鄰障礙物的幾何構(gòu)型。在遭遇障礙物時(shí),切換態(tài)用于判斷是否滿足狀態(tài)切換條件,以進(jìn)入避障態(tài)執(zhí)行避障算法。避障完成后,狀態(tài)自動(dòng)切換回運(yùn)行態(tài)繼續(xù)執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)。多狀態(tài)的提出,可有效解決傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法在大型凹形障礙物的避障過程中存在局部震蕩的問題?;谶\(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間的雙切換條件判定算法,可實(shí)現(xiàn)多狀態(tài)間的平滑切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法在解決局部震蕩問題的同時(shí),還可降低避障時(shí)間,提升導(dǎo)航算法效率。

  • 圖  1  障礙物建模圖

    圖  2  組合算法流程圖

    圖  3  針對(duì)大型凹形障礙物仿真結(jié)果

    圖  4  針對(duì)大型凹形障礙物的A*算法的仿真結(jié)果

    圖  5  針對(duì)大型凹形障礙物的改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法算法的仿真結(jié)果

    圖  6  組合算法在其他場(chǎng)景下的運(yùn)行結(jié)果

    表  1  人工勢(shì)場(chǎng)法符號(hào)含義

    符號(hào)符號(hào)含義符號(hào)符號(hào)含義
    ${\rm{obs}}$障礙物${\bf{X}}{\rmq7j3ldu95}$目標(biāo)位置
    ${U_{{\rm{Xd}}}}(x)$引力勢(shì)能${U_{{\rm{obs}}}}(x)$斥力勢(shì)能
    ${U_{{\rm{art}}}}(x)$總勢(shì)能${{F}}$合力
    ${{{F}}_{{\rm{Xd}}}}$吸引力${{F}}_{\rm{obs}}$排斥力
    $j$移動(dòng)機(jī)器人感知到的
    周邊障礙物的個(gè)數(shù)
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  A*算法符號(hào)含義

    符號(hào)符號(hào)含義符號(hào)符號(hào)含義
    $g(\cdot )$從初始節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人
    所在節(jié)點(diǎn)node的啟發(fā)式評(píng)估代價(jià)
    $h(\cdot )$從當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人所在節(jié)點(diǎn)node到
    目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的啟發(fā)式評(píng)估代價(jià)
    $(x_{\rm{start}},y_{\rm{start}})$初始節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)$(x_{\rm{goal}},y_{\rm{goal}})$目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)
    $(x,y)$移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  3  模型描述符號(hào)含義

    符號(hào)符號(hào)含義符號(hào)符號(hào)含義
    $O_1$障礙物的左端點(diǎn)$O_2$障礙物的右端點(diǎn)
    $2\alpha $障礙物的長(zhǎng)$\beta $障礙物的寬
    $v_t$移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)線速度$a$移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)行態(tài)時(shí)的最大速度
    $\Delta d$移動(dòng)機(jī)器人在某段時(shí)間內(nèi)的移動(dòng)距離$S_{\rm{obs}}$所有障礙物總面積
    $S_{\rm{map}}$地圖面積$\rho $障礙物密度
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  4  算法性能比較

    算法時(shí)間(s)路徑長(zhǎng)度(m)
    A*算法22.401040.69
    改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法[15]無窮大無窮大
    本文組合算法10.62707.09
    下載: 導(dǎo)出CSV
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    黃長(zhǎng)強(qiáng), 趙克新. 基于改進(jìn)蟻獅算法的無人機(jī)三維航跡規(guī)劃[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2018, 40(7): 1532–1538. doi: 10.11999/JEIT170961

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圖(6) / 表(4)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2019-03-26
  • 修回日期:  2019-11-10
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2019-11-13
  • 刊出日期:  2020-06-04

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