專(zhuān)利名稱(chēng)：基于協(xié)作協(xié)進(jìn)化和多種群遺傳算法的多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)化的發(fā)展，尤其近十年以來(lái)，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓寬，目前一個(gè)很重要的特征，機(jī)器人已經(jīng)從制造業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向了非制造業(yè)，如服務(wù)行業(yè)。簡(jiǎn)單的單個(gè)移動(dòng)機(jī)器人在民用應(yīng)用領(lǐng)域已不能完全滿(mǎn)足服務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)有效的多移動(dòng)機(jī)器人自主式或者半自主式運(yùn)行，考慮到安全、有效的應(yīng)用目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃、協(xié)作運(yùn)行、合作完成任務(wù)等已經(jīng)成為移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的方向。傳統(tǒng)的方法大多集中在實(shí)現(xiàn)單個(gè)機(jī)器人的路徑規(guī)劃，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的深入研究，產(chǎn)生了大量的研究成果柵格法、人工勢(shì)場(chǎng)法、可視圖法，到自由空間法、A乖算法、D棗算法，以及眾多的改進(jìn)算法，再到模糊邏輯算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，這些方法各有優(yōu)點(diǎn)，但都存在不能直接應(yīng)用于目前需要的多機(jī)器人路徑規(guī)劃。如何實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人的協(xié)作避障和自主路徑規(guī)劃是多機(jī)器人路徑規(guī)劃的關(guān)鍵。現(xiàn)有的多移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制結(jié)構(gòu)通常采用集中式規(guī)劃方法，集中式的規(guī)劃方法將多機(jī)器人系統(tǒng)視為一個(gè)具有多個(gè)自由度的復(fù)雜機(jī)器人，由系統(tǒng)中的一個(gè)規(guī)劃器來(lái)統(tǒng)一完成對(duì)所有機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。缺點(diǎn)是該類(lèi)方法計(jì)算時(shí)間往往比較長(zhǎng)這，限制了該方法的實(shí)用性，也對(duì)集中規(guī)劃器的魯棒性有很高要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有集中式多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)的通用性較差、靈敏度低、穩(wěn)定性較差、不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)避障的不足，本發(fā)明提供一種分布式、通用性強(qiáng)、靈敏度高、穩(wěn)定性好、可實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人動(dòng)態(tài)避障的基于協(xié)作協(xié)進(jìn)化和多種群遺傳算法的多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種基于協(xié)作協(xié)進(jìn)化和多種群遺傳算法的多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)，機(jī)器人的一條路徑采用一個(gè)染色體表示，染色體就表示成節(jié)點(diǎn)的鏈表形式，即[(X，y), time], (χ, y， time e R)，(x,y)表示機(jī)器人的位置坐標(biāo)，time部分表示從前一個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)本節(jié)點(diǎn)需要的時(shí)間消耗，開(kāi)始節(jié)點(diǎn)的time部分等于0，每個(gè)機(jī)器人個(gè)體的染色體除了初始節(jié)點(diǎn)的初始位置，結(jié)束節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)位置固定以外，中間節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)都是可變的；每個(gè)機(jī)器人Robot (i)的路徑path (j)的適應(yīng)度函數(shù)表示成Φ (Pijj)他.)= e-HMI+〒 ](1)I Pijj I =Dis tan ce (Pi,》+wsX smooth (Pi,》+wtX Time (Pi,》(2)其中，Φ(Ρμ)是一個(gè)非線性函數(shù)，路徑的消耗越大則Φ (Pi, ρ越大；Pm表示 Robot (i)的路徑path (j) ；ι |Pi,J ι是距離、平滑度和時(shí)間消耗的線性組合，Ws是平滑加權(quán)因子，Wt是時(shí)間加權(quán)因子；
Length(Plj)-I
Distance(PlJ) =，Pu )
k=\
Length(Plj)-I
smooth(pt j)= ^α{θ，j -d)
a =MAX{；
A
IxO,
’ 2)
length
Time{pi;) = ^time
；=1
Ph
(3) ⑷
(5)
(6)其中，Distance^,」)表示路徑長(zhǎng)度，·Α，)表示Robot (i)的路徑path(j)中線段節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)/C1的長(zhǎng)度，表示Robot (i)的路徑path (j)中第k個(gè)節(jié)點(diǎn)，/C1表示 Robot⑴的路徑path (j)中第k+1個(gè)節(jié)點(diǎn)；Smooth(Piij)表示路徑的平滑度，Length (PijJ) 表示Robot(i)的路徑path (j)的路徑線段總數(shù)，a為中間參數(shù)，A表示障礙物的個(gè)數(shù)，04表示所有障礙物的總面積，屹表示線段(Ak；^+1)的轉(zhuǎn)角度數(shù)，而5表示期望轉(zhuǎn)角；Time (Pi, ρ 是路徑Pu的時(shí)間消耗；ψ (Pi,ρ是約束條件定義成懲罰函數(shù)的形式，如公式(7)所示形式Ψ (Pijj) = Ψ ！ (Pi, j) +V2(Pijj) +V3 (Pi,j) (7)其中，V1(Piij)用于評(píng)估機(jī)器人Robot (i)是否超速，V2(Pi,j)表示是否有機(jī)器人-障礙物碰撞情況存在，V3(Pu)表示發(fā)生碰撞的機(jī)器人個(gè)數(shù)總和； WliPr,,) =
k" 0’
* Λ
3k\s
> 兄.,max
otherwise
(8) 公式中，表示上一個(gè)節(jié)點(diǎn)n0de(k*-l)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)nodeGO的距離； 是上-個(gè)節(jié)點(diǎn)node (k*-l)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)node (k*)所需要的時(shí)間消耗，k*表示路徑線段，因此^t
就定義了機(jī)器人在路徑;^上的移動(dòng)速度，Vi, _用于指示機(jī)器人Robot (i)的最大速度， F1(Pilj)則是所有超速的總和； Ψ2(Ρι, °ι) =
BktXp^o1) <0 ^(s',,O1) = -
0,otherwise
\Area{o))-Area(of)||,,O1) <0
MaxNum,
otherwise
(9) (10) 其中， ；,…)表示路徑線段O障礙物O1之間的距離丨)和表示
路徑線段/^將障礙物O1分成兩塊后兩塊的面積大小，則表示障礙物O1 兩塊面積之差的絕對(duì)值，MaxNum是障礙物O1的總面積；利用Ψ2(Ρυ，O1)來(lái)評(píng)估是否有機(jī)器人-障礙物碰撞情況存在，假設(shè)存在路徑線段k*使得機(jī)器人和障礙物的距離等于O或者小于0，表示存在著機(jī)器人和障礙物的碰撞；
6
根據(jù)公式(9)，如果Ψ2(ρΜ，0ι)等于0，表示機(jī)器人避障成功，如果Ψ2(ρΜ，0ι)不等于0，利用Ψ2(Ρμ，0ι)來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)器人和障礙物避免碰撞需要克服的距離；
權(quán)利要求
1. 一種基于協(xié)作協(xié)進(jìn)化和多種群遺傳算法的多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于機(jī)器人的一條路徑采用一個(gè)染色體表示，染色體就表示成節(jié)點(diǎn)的鏈表形式，即[(X，y)，time]， (X，y，time e R)，(χ, y)表示機(jī)器人的位置坐標(biāo)，time部分表示從前一個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)本節(jié)點(diǎn)需要的時(shí)間消耗，開(kāi)始節(jié)點(diǎn)的time部分等于0，每個(gè)機(jī)器人個(gè)體的染色體除了初始節(jié)點(diǎn)的初始位置，結(jié)束節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)位置固定以外，中間節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)都是可變的； 每個(gè)機(jī)器人Robot(i)的路徑path (j)的適應(yīng)度函數(shù)表示成Φ (Py)
2.如權(quán)利要求1所述的基于協(xié)作協(xié)進(jìn)化和多種群遺傳算法的多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)， 其特征在于在優(yōu)化得到最優(yōu)路徑后，進(jìn)行簡(jiǎn)化操作，其中，簡(jiǎn)化算子是根據(jù)線段之間的偏轉(zhuǎn)角度判斷是否有冗余節(jié)點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于協(xié)作協(xié)進(jìn)化和多種群遺傳算法的多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于在優(yōu)化得到最優(yōu)路徑后，通過(guò)平滑操作添加的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與角度期望值成正比，當(dāng)判斷得出兩相連路徑段之間得偏轉(zhuǎn)角度大于偏轉(zhuǎn)角度的期望值，則分別在兩條路徑段附近可行域取兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，再判斷修改得到得兩個(gè)偏轉(zhuǎn)角度相對(duì)與未修改前的轉(zhuǎn)角是否改善，若不能滿(mǎn)足以上條件，則重新取節(jié)點(diǎn)，若滿(mǎn)足，則刪除舊節(jié)點(diǎn)，替代以?xún)蓚€(gè)新節(jié)點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求3所述的基于協(xié)作協(xié)進(jìn)化和多種群遺傳算法的多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)， 其特征在于所述平滑操作過(guò)程中，新節(jié)點(diǎn)選取范圍是以該路徑段為對(duì)角線的矩形內(nèi)的可行域，兩個(gè)新節(jié)點(diǎn)分別表示為
5.如權(quán)利要求1或2所述的基于協(xié)作協(xié)進(jìn)化和多種群遺傳算法的多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于在優(yōu)化得到最優(yōu)路徑后，通過(guò)修復(fù)操作，具體過(guò)程如下分別檢測(cè)每條路徑的各個(gè)路徑段，若某路徑段與障礙物相交，則調(diào)用修復(fù)操作，該操作分3個(gè)步驟完成1)確定路徑線段雙邊以沿墻導(dǎo)航法為基礎(chǔ)，以路徑段的起始端與終止端為起點(diǎn)與終點(diǎn)；2)選擇可行路徑段起點(diǎn)沿障礙物邊界按順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向有兩條到達(dá)該段終點(diǎn)的路徑，選擇路徑較短的一條，新路徑節(jié)點(diǎn)取值范圍是以障礙物頂點(diǎn)為圓心的一定半徑內(nèi)的可行域，半徑大小等于期望間隔度大?。?)修改路徑若存在可行路徑，將選中的路徑插入整條路徑中以替代舊的路徑段。
全文摘要
一種基于協(xié)作協(xié)進(jìn)化和多種群遺傳算法的多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)，機(jī)器人的一條路徑采用一個(gè)染色體表示，染色體就表示成節(jié)點(diǎn)的鏈表形式，即[(x，y)，time]，(x，y，time∈R)，(x，y)表示機(jī)器人的位置坐標(biāo)，time部分表示從前一個(gè)結(jié)點(diǎn)移動(dòng)本結(jié)點(diǎn)需要的時(shí)間消耗，開(kāi)始節(jié)點(diǎn)的time部分等于0，每個(gè)機(jī)器人個(gè)體的染色體除了初始節(jié)點(diǎn)的初始位置，結(jié)束節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)位置固定以外，中間節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)都是可變的；將最短路徑、平滑度和安全距離作為設(shè)計(jì)路徑適應(yīng)度函數(shù)的三個(gè)目標(biāo)每個(gè)機(jī)器人采用所述適應(yīng)度函數(shù)，通過(guò)Messy遺傳算法優(yōu)化得到最優(yōu)路徑。本發(fā)明采用分布式結(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)、靈敏度高、穩(wěn)定性好、可實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人動(dòng)態(tài)避障。
文檔編號(hào)G05D1/02GK102169347SQ20111005613
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者盧瑾, 張健, 楊東勇, 陳晉音 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)