基于ROS的移动机器人在动态环境下的路径规划技术研究

摘要

路径规划技术是移动机器人研究领域中的重要内容之一。动态避障是移动机器人局部路径规划中的难点技术，还存在着移动机器人在障碍物附近震荡及目标不可到达等的问题。针对移动机器人在动态复杂环境下的全局路径规划和动态避障等作业需求，能够安全准确地到达指定目标位置，本课题针对动态环境下基于ROS的移动机器人路径规划技术展开研究。本文针对当前全局路径规划和局部路径规划算法存在的问题进行分析并改进，并在ROS软件平台进行实际改进算法验证。
　　本研究主要内容包括：⑴搭建ROS移动机器人软硬件平台，为后续改进算法验证提供基础。首先对双轮差速机器人平台运动学模型进行分析，得到机器人的里程计模型；其次设计机器人的运动控制系统，使机器人可以接收速度指令及发送里程计信息，最后创建机器人URDF模型及激光节点，使机器人具有在ROS下导航最基础的功能。⑵针对传统蚁群算法进行改进，作为移动机器人全局路径规划算法。针对传统蚁群算法的缺点，为使算法能更快收敛，对算法初始信息素及信息素更新模型进行改进，并提出一种可以跳出局部最优解的策略，最后对生成路径进行优化，通过仿真实验验证了改进算法的可行性及优越性。⑶针对局部路径规划实时性高的需求，通过改进传统人工势场法作为机器人局部路径规划算法。以全局路径作为输入，提出在全局路径上设置局部目标点的方法使机器人可以沿着全局路径行走，并且采用自适应调整机制使算法不易陷入局部极小值及消除机器人行走过程中的不平稳。为应对动态障碍物，对斥力势函数进行改进，在斥力势中加入机器人与障碍物的相对速度信息，使机器人能迅速避开动态障碍物，仿真实验表明，改进的算法不仅可以使机器人沿着规划出的全局路径行走，而且对动态障碍物具有较好的避障效果。⑷在搭建的ROS平台上，分别在具有单个障碍物、多个障碍物、动态障碍物及高动态障碍物的环境中进行实验，实验验证全局路径和局部路径改进算法的有效性和可行性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 移动机器人研究现状

1.3 路径规划技术研究现状

1.4 论文的主要研究内容

第二章 基于ROS的移动机器人控制系统搭建

2.1 引言

2.2 Robotic Operating System简介

2.3移动机器人运动学模型分析

2.4 移动机器人总体设计

2.5 移动机器人跟踪实验

2.6 本章小结

第三章 基于改进蚁群算法的全局路径规划方法研究

3.1 引言

3.2 全局路径规划环境描述

3.3 基本蚁群算法

3.4 基于改进蚁群算法的全局路径规划

3.5仿真实验与分析

3.6 本章小结

第四章 基于人工势场法的局部路径规划方法研究

4.1 引言

4.2人工势场法简介

4.3 跟随全局路径策略

4.4 避开动态障碍物策略

4.5 算法的实现

4.6 本章小结

第五章 实验及结果分析

5.1 引言

5.2 移动机器人系统架构

5.3 移动机器人路径规划实验

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢