基于网格化场景下多车式机器人运动协调算法研究与实现

摘要

近半个世纪以来，机器人相关技术在理论和应用方面都取得了许多重大突破，其应用领域也涵盖到现代科学界的诸多方面，例如自动化工业、航空航天、智能服务、农业等等。随着应用领域的大幅扩展，多机器人系统的研究也受到越来越多的科研学者的关注，因为单个机器人已逐渐无法胜任人类赋予他们的任务，对于一些复杂动态环境下的任务，多机器人系统相比单个机器人的灵活性更高，容错能力也较强，并且其可以利用时间、空间分布性及功能上的相互合作来完成新需求下更加复杂的任务，并且完成任务的时间效率更高，完成效果更好。因此，如何处理多个机器人在同一环境下的协同工作时的运动协调问题，已成为当前机器人群体智能领域的新课题，具有重要的理论与现实意义。本文的研究目标是，在一个二维平面场景中，存在多个模型一致的机器人同时发生移动，如何在保证机器人之间不发生碰撞的前提下，使得所有机器人完成移动任务的总时间最短。
　　针对同一环境中多机器人的运动协调问题，本文提出了基于场景网格化的多机器人运动协调求解算法。该算法主要由路径生成、碰撞区段计算、运动协调求解三大模块组成。首先，本文采用基于三次贝塞尔曲线的路径生成算法，为场景中每个机器人规划出一条与静态障碍物无碰撞的路径，其次，在碰撞区段计算模块采用包围盒的方法进行对象间碰撞检测，并通过场景网格化方法来缩小所需检测的范围，最后，在运动协调模块，基于前两个模块的算法结果，考虑机器人的运动学模型，利用数学建模将协调问题转化为混合整数线性规划的最优化问题来求解，得到每个机器人对应的速率曲线，该速率曲线满足机器人运动过程中不会与其他对象发生碰撞。
　　本文基于Qt和Visual Studio2010设计并开发了本算法的实验平台，用来进行算法的实验及仿真展示，通过一系列实验表明，本文所提出的运动协调算法能有效解决提出的问题，并表现出了良好的性能，具有实际应用意义。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究课题的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 本文组织结构

2 相关理论知识

2．1 车式移动机器人

2．2 混合整数规划

2．3 路径规划算法

2．4 路径生成算法

2．5 碰撞检测算法

2．6 运动协调算法

2．7 本章小结

3 基于网格化场景下多车式机器人运动协调算法

3．1 问题建模

3．2 概念介绍

3．3 算法思路

3．4 算法介绍

3．4．1 碰撞区段计算算法

3．4．2 运动协调算法

3．4．3 速度连续化

3．5 算法分析

3．6 本章小结

4 实验及结果分析

4．1 实验环境

4．2 实验平台

4．3 实验数据和结果

4．4 实验分析

4．5 本章小结

5．1 论文总结

5．2 研究展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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