第六章 机器人路径规划
机器人导航与路径规划
机器人导航与路径规划随着人类科技的不断发展，机器人的应用也不断地拓展和深化。
其中，机器人导航和路径规划技术的应用越来越广泛，尤其在工业自动化和智能家居领域。
本文将详细探讨机器人导航和路径规划技术的原理和应用。
一、机器人导航技术机器人的导航技术是指机器人在复杂环境中自主定位和移动的能力。
机器人导航技术的核心是“自主定位和建图”，即机器人通过自身的传感器对周围环境进行感知和分析，并将所得到的信息转化成可用的地图。
机器人需要不断地利用传感器进行环境感知，不断地跟踪自己在地图中的位置和状态，以便在运动过程中作出正确的决策。
机器人的导航技术主要分为定位、建图和路径规划三个环节。
1、定位定位是机器人导航的第一步，通过利用机器人内置的传感器，如激光雷达、摄像头等，对周围环境进行感知，获取与周围地标的相对距离，进而确定自身的位置。
2、建图建图是机器人导航的第二步，将测量到的环境信息转换成地图。
建图方法主要分为基于激光雷达的SLAM（同时定位与地图构建）和基于视觉的SLAM等不同方式。
通过建立地图，机器人可以实现更精准的定位和路径规划。
3、路径规划路径规划是机器人导航的最后一步。
它是指机器人根据地图和目标的要求，计算出最优路径，并实现自主行驶的过程。
路径规划是机器人导航中最为重要的环节之一，它直接关系到机器人在实际操作中的表现。
二、路径规划技术路径规划技术是指根据机器人当前的位置和任务要求，计算出一条最优路径。
最优路径通常是指能够满足任务需求的同时尽可能短的路径。
路径规划技术的应用非常广泛，主要涵盖了以下几个方面：1、工业自动化在工业自动化中，机器人路径规划是实现自动化生产的关键技术之一。
机器人可以代替人类完成一些繁重、危险、重复性的工作，如物流搬运、装配、焊接等。
机器人路径规划技术的应用可以大大提高生产效率，减少人力成本和工作风险。
2、智能家居随着智能家居的不断发展，越来越多的机器人被应用于家庭环境中。
例如，智能扫地机器人，通过内置的传感器实现自主规划清扫路径。
机器人路径规划算法的使用教程及最优路径选择研究
机器人路径规划算法的使用教程及最优路径选择研究引言:机器人自动路径规划算法是一项核心技术，广泛应用于自动化领域。
从工业生产到物流配送，路径规划算法在提高效率和减少成本方面发挥着重要作用。
本文将介绍常用的机器人路径规划算法，并研究最优路径选择的方法。
一、机器人路径规划算法的基本概念路径规划算法是为了使机器人能够在给定的环境中找到一条合适的路径以达到目标位置。
常用的路径规划算法包括：Dijkstra算法、A*算法、RRT算法等。
1. Dijkstra算法Dijkstra算法是一种广度优先搜索算法，适用于图中没有负权边且权值非负的情况。
该算法通过计算节点之间的距离来选择路径，使得机器人能够找到最短路径。
算法的基本思想是：从起点开始，依次计算和更新每个节点的最短距离，直到到达目标节点。
2. A*算法A*算法是一种启发式搜索算法，利用启发函数来评估节点的优先级。
节点的优先级由节点的实际距离和启发函数的估计值决定。
A*算法的优势在于能够在保证最优路径的情况下，减少搜索的节点数量，提高运行效率。
3. RRT算法RRT算法（Rapidly-Exploring Random Trees）是一种概率地搜索无人驾驶路径的算法。
该算法通过随机生成节点和快速扩展树的方式，寻找可行的路径。
RRT算法在处理复杂环境中的路径规划问题时表现出色，但对于大规模的搜索空间效率较低。
二、机器人路径规划算法的实现步骤机器人路径规划算法的实现包含以下基本步骤：1. 构建地图根据所需的环境，建立一个合适的地图。
地图可以是栅格地图、连续空间地图或其他形式的表示。
2. 确定起始点和目标点选择机器人的起始点和目标点，这两个点是路径规划的关键。
3. 确定运动约束根据机器人的特性和环境的限制，确定机器人的运动约束。
这包括机器人的最大速度、最大加速度等。
4. 选择路径规划算法根据实际需求，选择合适的路径规划算法。
根据算法的特性和优劣进行权衡，选择最适合的算法。
机器人路径规划(优秀)PPT资料
将机器人工作空间划分为多个简
单区域，称为栅格。
假设栅格内没有障碍物称为自由栅格
，否那么称障碍栅格。 将栅格编号，机器人路径规划就是
搜索由起点到目标点的自由栅格组成的 起始点 S
自由栅格
障碍栅格
目标点 G
连通域。
图7-3栅格法路径规划示意图
可以用栅格序号表示，再将栅格序号转换成机器人空间的实际坐标，令
因此，移动机器人路径规划可以简化为在扩张了障碍物的地图上，点机器 人的路径规划问题。
2
障碍点 O Fatt
目标点 G
人工势场方法
机器人
位置点 p
Ftotal
人工势场的根本思想是构造目标位置引力场和 障碍物周围斥力场共同作用下的人工势场。
搜索势函数的下降方向来寻找无碰撞路径。
下面给出各种势场的定义
①目标引力场
可得机器人所受合力为： Ftotal =Fatt + Fobs
(7-5)
这样，我们就在环境地图中定义了机器人的引力场
因此，机器人的路径规划问题被转化为点在引力场中的运动问题。
而点在引力场中的运动问题在物理学和数学中已经研究得非常清楚，可以 比较方便地进行求解。
算法优点：
①简单方便，可以实时规划控制，并能考虑多个障碍，连续移动。
任务就是确定函数q (t)，使其在t =0时刻的值为关节角的初始位置，在t =tf
时刻的值为关节角的目标位置。 另外，一般要求在初始时刻和终止时刻关节的速度均为零。 因此，关节轨迹规划在数学上就是满足4个约束条件的函数插值问题。
多项式插值比较简单，同时便于计算，因此常用来解决函数插值问题。满足4 个约束条件的多项式函数插值函数是三次多项式。
这种规划方法具有通用性，适合不同的机械臂和工具，同时也适用于运 动的工作台〔如传送带〕。
机器人路径规划技术综述
机器人路径规划技术综述随着科技快速发展，机器人逐渐成为人们日常生活中的一部分。
而机器人的核心之一便是路径规划技术。
路径规划即是让机器人可自主地选择一条可靠的路径从起点走到终点。
本文将会综述机器人路径规划技术的发展，实现方法及其在不同领域的应用。
1.路径规划技术的发展1.1 传统路径规划方法在传统路径规划方法中，机器人的探索方法是通过传感器进行实时感知和数据收集，从而生成一个局部地图。
此地图表示机器人当前所在的环境，机器人通过与局部地图进行匹配，从而寻找到一个可用的路径。
传统路径规划方法一般采用的是基于格子表示法的A*规划算法。
A*算法的优点在于快速并高效地找到最短路径，但相应的局限也十分明显，即不能容忍动态环境。
1.2 基于机器学习的路径规划针对传统方法局限性，新兴的机器学习路径规划技术应运而生。
事实上，基于机器学习的路径规划还是建立在传统路径规划方法的基础上，其核心思想是通过机器学习的方式去预测机器人在某地图上的运动行为。
在这种技术的驱动下，机器人可以快速地学习探索新环境，并用这些新数据去更新自己的运动模型，使模型逐渐变得更加精准。
2.路径规划技术的实现方法2.1 定位技术实现路径规划技术需要拉起正确的定位技术。
目前，常见的定位方案包括：惯性导航、序列结构光、实时定位和建图（SLAM）等。
因不同定位方案在不同场景中的表现有所千差万别，因此选择一种合适的定位方案对于路径规划也至关重要。
2.2 地图与数据预处理机器人实现路径规划还要有一份预处理好的地图。
预处理中可能需要考虑诸如不确定环境因素、基础数据源的不可靠性等问题。
此外，数据的预处理也涉及到了有效性和占用空间的平衡，需要考虑的因素非常丰富。
2.3 路径规划算法就算整个环境的建模已经完成并且无论如何得到了定位，机器人路径规划仍然需要一种算法来决定如何根据运动能力到达目标。
目前有许多常见的路径规划算法，如Dijstra和A*等，各个算法的不同在于选取最优节点的方式。
机器人路径规划算法设计与优化研究
机器人路径规划算法设计与优化研究近年来，机器人技术的快速发展，为各行各业带来了巨大的变革。
机器人路径规划是机器人导航和运动控制中的关键问题之一，它决定了机器人在工作环境中如何找到最优的路径来完成任务。
本文将探讨机器人路径规划算法的设计与优化方法。
一、机器人路径规划算法的基本原理机器人路径规划的目标是确定机器人从起始点到目标点的最优路径，使其能够避开障碍物、优化行走距离和时间。
机器人路径规划算法可以分为全局路径规划和局部路径规划两部分。
全局路径规划是在静态环境下进行，通过对整个地图的搜索和规划，确定机器人从起始点到目标点的最优路径。
经典的全局路径规划算法包括A*算法、Dijkstra算法和深度优先搜索算法。
局部路径规划是在动态环境下进行，即机器人在实际运动过程中需要根据外界环境的变化进行实时的路径规划调整。
常用的局部路径规划算法包括动态窗口方法、经典速度障碍算法和强化学习方法等。
二、机器人路径规划算法设计的关键问题1. 地图表示在机器人路径规划算法设计中，地图的表示方法是一个重要的问题。
一种常用的表示方法是网格地图，即将工作环境划分为一个个网格，并在每个网格上标记障碍物信息。
另一种方法是基于图的表示，将地图看作一个图，每个位置作为一个节点，邻近的位置之间存在边。
2. 碰撞检测在路径规划过程中，需要进行碰撞检测，以确定机器人的运动路径是否与环境中的障碍物相交。
碰撞检测通常通过计算几何形状的相交关系来实现，常用的方法包括线段相交法和包围盒法等。
3. 路径搜索和规划路径搜索和规划是机器人路径规划算法的核心部分。
搜索算法通过遍历可能的路径来找到从起始点到目标点的最优路径。
搜索算法的选择和设计对路径规划的效率和质量有着重要影响。
常用的搜索算法包括A*算法、Dijkstra算法和遗传算法等。
三、机器人路径规划算法的优化方法1. 启发式算法启发式算法是一种基于经验或预估的算法，通过优化评估函数来加速路径规划过程。
机器人路径规划算法的实验操作指南
机器人路径规划算法的实验操作指南导言：机器人路径规划是机器人导航和自主移动的核心技术之一。
路径规划算法能够帮助机器人找到最优或者近似最优的路径，以避开障碍物并在给定环境中达到目标点。
本文将介绍机器人路径规划算法的实验操作指南，包括基本概念、实验准备、实验步骤和结果分析。
一、基本概念：1.路径规划算法的作用：路径规划算法是指在给定环境中，通过分析机器人当前状态和环境信息，确定机器人在合理时间内到达目标点的最优路径或近似最优路径。
2.常见路径规划算法：A*算法、Dijkstra算法、动态规划、边界遍历算法等。
3.评价指标：路径长度、运行时间、资源消耗、路径平滑度等。
二、实验准备：1.实验设备：一台计算机、一款机器人模拟软件（如ROS、V-REP等）。
2.软件安装：根据机器人模拟软件的官方指南完成软件的安装和初始化工作。
3.环境准备：根据实验需求，创建一个地图环境，并添加机器人和障碍物等元素。
三、实验步骤：1.确定目标点和起点：在地图上选择一个目标点和一个起点，并标记出来。
2.选择路径规划算法：根据实验需求和所学算法，选择一种路径规划算法。
3.编写算法代码：根据所选的算法，编写相应的算法代码，并将其集成到机器人模拟软件中。
4.设置算法参数：根据实验需求，设置算法参数，如启发式函数的选择、地图尺寸、障碍物位置等。
5.运行算法：运行编写的算法代码，观察机器人在地图中的移动轨迹。
6.记录实验结果：记录机器人从起点到目标点的路径长度、运行时间等实验结果。
四、结果分析：1.路径长度比较：针对不同算法，比较机器人从起点到目标点的路径长度，分析算法在路径规划中的优势与劣势。
2.运行时间比较：比较不同算法的运行时间，分析算法的计算效率和实用性。
3.资源消耗比较：观察不同算法对计算机资源的消耗情况，如CPU的占用率、内存的使用等。
4.路径平滑度评价：对机器人路径的曲线进行评价，评估路径平滑度，以及机器人在遇到障碍物时的规避能力。
机器人路径规划算法及其应用研究
机器人路径规划算法及其应用研究机器人路径规划算法是指给定机器人的开始位置和目标位置，计算出机器人必须经过的路径,并且在避开障碍物的过程中保证最短的路径。
路径规划是机器人运动控制中最基本和重要的问题之一，是智能机器人应用领域的核心问题之一。
机器人路径规划算法应用范围广泛，不仅涉及实际生产制造、智能交通等行业，还涉及到智能家居、家庭服务机器人等消费电子领域。
1. 常见的路径规划算法1.1 Dijkstra算法Dijkstra算法是一种贪心算法，解决的是最短路径问题。
对于每个节点，求出它到起点的距离，然后确定距离最短的一个节点，以该节点为邻接点，更新其它节点到起点距离。
这样，从起点到终点依次求出最短路径。
Dijkstra算法的时间复杂度较高，但可以处理带权重的有向图，因此在路网规划中具有一定的应用。
1.2 A*算法A*算法也是一种贪心算法，它采用两个函数来对每个节点进行评估：g(x)表示起点到x的实际距离，h(x)表示估算从x到终点的距离。
A*算法在启发式搜索的基础上通过合理的估价函数帮助寻找最优解，时间复杂度相对Dijkstra算法降低。
因此，A*算法被广泛应用于机器人路径规划问题中。
1.3 RRT算法RRT（Rapidly-exploring Random Tree）算法是一种基于树形结构的随机采样算法，它假设机器人运动过程中存在随机扰动，通过一定概率的随机扰动探索机器人的运动空间。
RRT算法可以有效避免路径陷入局部最优解的问题。
2. 应用研究机器人路径规划算法的应用领域涉及到生产制造、智能交通、智能家居、消费电子等众多领域。
2.1 生产制造在生产制造领域，机器人路径规划算法可以用于自动化生产线的优化，提高生产效率和企业生产效益。
例如，在汽车生产线上，采用机器人进行零部件组装、焊接等工作，可以实现生产线自动化，提高生产效率。
而路径规划算法可以使得机器人在复杂的生产线环境中准确定位和移动，从而达到优化生产线的目的。
机器人的路径规划和避障技术是怎样的
机器人的路径规划和避障技术是怎样的机器人在现代社会中扮演着越来越重要的角色，其路径规划和避障技术更是其关键的核心。
随着科技的不断进步，机器人的智能水平不断提高，其在不同领域的应用也越来越广泛。
路径规划和避障技术作为机器人的核心功能之一，对于机器人的安全运行和任务完成至关重要。
机器人的路径规划首先要解决的问题就是在复杂环境中找到一条最优路径来达到目标位置。
这涉及到对环境的感知、地图构建和路径搜索等方面。
在传统的路径规划算法中，常用的方法包括A*算法、Dijkstra算法和深度优先搜索等。
这些算法在简单的环境中能够取得不错的效果，但在复杂的实际场景中往往面临着挑战。
为了解决复杂环境下的路径规划问题，研究人员提出了一系列新的算法和技术。
例如，基于人工神经网络的路径规划方法能够更好地适应不同环境下的路径规划需求。
通过深度学习技术，机器人可以从大量的数据中学习并优化路径规划过程，提高路径规划的准确性和效率。
除了路径规划，避障技术也是机器人不可或缺的功能之一。
避障技术可以帮助机器人在不熟悉的环境中避开障碍物，确保其安全运行。
传统的避障方法通常基于传感器数据和障碍物检测算法，通过对环境的感知和分析来实现避障功能。
然而，由于环境的复杂性和障碍物的多样性，传统的方法往往难以满足实际需求。
为了提高机器人的避障能力，研究人员提出了一些新的技术和方法。
例如，基于深度学习的避障技术能够更好地识别障碍物并做出适当的反应。
通过深度神经网络，机器人可以从数据中学习障碍物的特征，快速准确地做出避障决策，提高其在复杂环境中的适应能力。
除了算法和技术方面的研究，路径规划和避障技术的发展还离不开硬件设备的支持。
激光雷达、摄像头、超声波传感器等传感器设备在机器人的路径规划和避障中发挥着关键作用。
传感器设备能够为机器人提供准确的环境信息，帮助其感知和理解周围环境，从而更好地规划路径和避开障碍物。
随着人工智能和机器学习技术的不断发展，机器人的路径规划和避障技术也在不断进步。
机器人路径规划算法综述
机器人路径规划算法综述机器人技术的快速发展正在改变着我们的生活。
在现代工业、农业、医疗保健和家庭服务等领域，机器人都扮演着越来越重要的角色。
而机器人路径规划算法则是实现机器人自主导航和避障的关键技术之一。
本文将对机器人路径规划算法进行综述，介绍其基本原理和常见算法。
路径规划是指在给定的环境中，找到从起点到终点的最佳路径。
机器人路径规划要解决的问题是，在复杂的环境中避开障碍物、规避未知区域、遵守规定速度或特定路线，完成从出发点到目标点的导航任务。
机器人路径规划算法可以分为离线规划和在线规划。
离线规划适用于固定环境中的任务，可以对整个环境进行全局规划，并生成一条完整的路径。
典型的离线规划算法包括A*算法、Dijkstra算法和动态规划等。
而在线规划则适用于动态环境中的任务，机器人需要根据实时感知到的环境信息做出实时决策。
典型的在线规划算法包括RRT（Rapidly-exploring Random Tree）算法、D* Lite算法和D*参数算法等。
A*算法是一种常用的离线规划算法。
该算法基于图的搜索，通过估计和评估每个节点的代价函数，找到从起点到终点的最佳路径。
A*算法同时考虑了距离和代价两个因素，能够在有限的时间内找到最佳的路径。
Dijkstra算法则是一种无权图的最短路径算法，通过在搜索过程中动态更新代价函数，找到从起点到终点的最短路径。
动态规划则是一种通过递推关系求解最佳路径的方法，它适用于解决具有最优子结构的问题。
RRT算法是一种常见的在线规划算法。
该算法通过随机采样和探测的方式，不断扩展搜索树，直到找到一条到达目标的路径。
RRT算法不需要预先对环境进行建模，而是通过在搜索过程中动态构造树结构来规划路径。
D* Lite算法则是一种改进的在线规划算法，它克服了D*算法对环境变化敏感的问题。
D* Lite算法通过局部更新代价函数和路径信息来实现在线路径规划。
D*参数算法则是对D*算法的改进，引入参数来平衡路径搜索的速度和质量。
机器人视觉导航与路径规划算法设计
机器人视觉导航与路径规划算法设计机器人的视觉导航和路径规划是让机器人能够在未知环境中自主移动和完成任务的关键技术。
本文将从机器人视觉导航和路径规划算法设计的角度，探讨如何实现机器人的自主导航和路径规划。
一、机器人视觉导航算法设计机器人的视觉导航包括定位和感知两个子任务。
定位是指机器人在环境中确定自己的姿态和位置，而感知则是指机器人通过视觉传感器获取环境信息。
下面将详细介绍机器人视觉导航算法的设计流程和关键技术。
1. 地图构建：首先，机器人需要通过激光雷达等传感器获取环境的三维点云数据，并将其转换成二维地图。
地图的构建可以使用非线性优化算法，如加权最小二乘法，可以有效地提高地图的准确性和鲁棒性。
2. 特征提取：接下来，机器人需要从环境的二维地图中提取特征点，以便用于定位和感知。
特征点可以是环境的边角、线段、面片等，可以使用特征提取算法（例如SIFT、SURF、ORB等）来进行特征点的提取。
3. 定位：利用提取出的特征点，机器人可以通过特征匹配算法（如RANSAC、ICP等）来估计自身的位置和姿态。
特征匹配算法可以根据特征点的相互关系和空间约束来实现位置的估计。
4. 感知：通过视觉传感器获取环境信息，然后通过基于图像处理和深度学习的算法对环境进行感知。
例如，可以使用物体检测算法、人体识别算法等来检测和识别环境中的物体和人体。
5. 地标识别：地标是环境中的有意义的特征点，例如门、标志牌等。
机器人可以利用地标进行定位和路径规划。
地标识别可以使用模板匹配、颜色分割等算法来实现。
二、机器人路径规划算法设计机器人路径规划是指机器人在给定起点和终点的情况下，找到一条最优路径来实现目标的任务。
下面将介绍机器人路径规划算法的设计流程和关键技术。
1. 地图表示：首先，将环境的地图进行离散表示，并将其转换成一个图来表示。
图的节点表示环境的位置，边表示位置之间的连接关系。
2. 路径搜索：利用搜索算法（如A*算法、Dijkstra算法等）在地图上进行路径搜索。
机器人视觉导航及路径规划研究
机器人视觉导航及路径规划研究一、引言机器人的发展给我们的生活带来了许多便利和惊喜，其中机器人的视觉导航和路径规划技术是影响机器人性能的重要因素之一。
视觉导航（Visual Navigation）是指利用机器视觉技术，通过对环境中的图像进行处理和分析，使机器人在复杂和未知的环境中自主地进行导航。
路径规划（Path Planning）是指根据机器人的起点和终点，并考虑到障碍物和机器人的运动能力，规划一条有效和安全的行动轨迹。
二、机器人视觉导航技术1.机器视觉技术机器视觉技术是指让机器具有人眼类似的能力去理解和分析图像的过程。
它包括图像预处理、特征提取、视觉匹配等过程。
其中，图像预处理是一项基础性工作，通过消除噪点、增强图像对比度等方式，使图像更加易于理解和处理。
而特征提取是指从图像中提取出具有代表性的特征，如边缘线、角点等。
视觉匹配则是将特征进行匹配，确定图像的位置和姿态。
2.基于视觉的定位与导航基于视觉的定位与导航是通过机器人对环境进行感知，利用视觉传感器获取环境信息，然后根据机器人运动模型和环境信息，计算机器人在场景中的位置和姿态。
而视觉导航则是将定位和导航技术结合起来，实现机器人在环境中的有效移动。
基于视觉的定位和导航已经广泛应用于室内和室外的自主导航场景中，如机器人巡逻、仓库巡视等。
三、机器人路径规划技术1.路径规划目标和评价指标机器人路径规划的目标是在保证安全和达到目标点的前提下，规划一条最短或最优的路径。
对于路径优化问题，通常采用评价指标来衡量路径好坏。
主要包括路径长度、路径可行性、路径平滑度等。
2.机器人路径规划算法（1）全局路径规划全局路径规划是指在机器人起点和目标点的基础上，根据环境信息和规划目标，采用优化算法生成一条全局路径。
常用算法包括A*算法、Dijkstra算法、最小生成树算法等。
（2）局部路径规划局部路径规划是指在机器人移动过程中，计算机器人在接下来一段时间内行进的最佳路径。
机器人智能路径规划算法
机器人智能路径规划算法科技的进步使得自动化机器人在制造业、物流、医疗和家庭服务等领域得到越来越广泛的应用。
针对机器人在实际应用中的问题，如何让机器人更加智能化，使其能够对环境做出应对和决策，成为了一个重要的研究方向。
路径规划算法是机器人智能化的基础，本文将对机器人智能路径规划算法进行深入探讨。
一、路径规划的基本概念路径规划是指在给定环境中，寻找一个连续的、优良的路径使机器人从起点到达终点的过程。
路径的连续性要求机器人在移动过程中不能出现意外的停顿；路径的优良性要求机器人在移动过程中运动距离尽可能少，时间尽可能短。
路径规划涉及的基本概念有以下几个：1.状态空间：机器人在运动过程中处于的所有空间状态的集合。
2.状态转换规则：将一个状态转变为另一个状态的规则。
3.起点终点：机器人的起始位置和目标位置。
4.路径：使机器人从起点到达终点的连续运动序列。
5.代价函数：衡量机器人行动中所付出的代价。
二、路径规划的分类路径规划可以分为单机器人路径规划和多机器人路径规划。
单机器人路径规划是指一台机器人在给定的环境条件下，寻找一个从起点到终点的最优路径。
常见的算法有：Dijkstra算法、A*算法、D*算法等。
多机器人路径规划是指多台机器人在给定的环境条件下，寻找一个最优的、不产生冲突的路径。
常见的算法有：集中式算法、分布式算法、互补算法等。
三、机器人智能路径规划算法的本质是将机器人进行描述，并通过不断学习和训练，提高机器人决策的智能和准确性。
常见的机器人智能路径规划算法有以下几种：1.模糊逻辑算法模糊逻辑算法是建立在模糊逻辑系统的基础之上的算法。
该算法能够处理一般规划问题，模糊规划问题和不确定规划问题。
与传统的二值判别方法不同，模糊逻辑算法使用隶属度函数来描述机器人的状态，能够准确的刻画机器人在环境中的复杂关系。
2.遗传算法遗传算法是一种智能优化搜索算法，通过对潜在解的适应度评估地迭代搜索过程来寻找全局最优解。
遗传算法具有抗噪声和非线性关系优化的能力，适用于路径规划等优化问题。
机器人路径规划算法研究与实现
机器人路径规划算法研究与实现现今世界上许多科技公司都在积极研究机器人技术，机器人可以提高生产效率、减少人力成本、拓展人类认知边界等等，其中路径规划算法是机器人的核心技术之一。
路径规划算法是机器人控制的基石之一，其目的是使机器人在不碰撞障碍物的前提下，从初始位置到达目标位置的过程中，保证机器人能够自主选择合适的路径进行移动。
1.路径规划算法的种类目前机器人路径规划算法主要分为启发式搜索算法、局部规划算法和MPC（模型预测控制）算法。
启发式搜索算法中较为经典的算法是A*算法，其在实际应用中使用较为广泛，但A*算法由于需要预先判断出全局最优路径，而其中间步骤可能左右摇摆，导致研究人员们开始转向局部规划算法。
局部规划算法也称避障算法，其基本思想是将机器人的全局路径划分为若干段，并分别进行路径规划，在各段均保证不碰撞后，再进行规整化整个路径；最后是MPC算法，它是一种基于模型的控制算法。
2.机器人路径规划算法的实现机器人路径规划算法实现的方法很多，其中较为常见的是ROS （机器人操作系统），这是一种常用于机器人应用的操作系统，它主要基于Linux系统，并具有开源性、通用性等特点，为路径规划算法的实现带来了很大的便利。
机器人路径规划算法的实现中牵涉到了多种技术，如三维建模技术、多轮式机器人的动如性模型、利用激光雷达生成地图等。
3.机器人路径规划算法的应用机器人路径规划算法的应用非常广泛，包括自动驾驶、仓储机器人、医疗机器人、工业机器人等。
医疗机器人和军事领域的巡航、搜救等特殊领域，机器人路径规划算法的应用是非常迫切的。
在近年对于新冠疫情的防控中，出现了许多机器人护送病人、机器人清洁环境等应用案例，在这些领域机器人路径规划算法也发挥着重要的作用。
4.机器人路径规划技术的挑战随着机器人技术发展的不断深入，在机器人路径规划技术中所涉及的问题也日益复杂，如上下环境不一致、移动障碍物的感知、局部避障、动态环境变化等问题都要求机器人路径规划技术拓宽研究面和方法，解决这些问题并使机器人能够完成更为复杂的任务是一个重要的技术挑战。
第六章 机器人路径规划
2 sgn 23 12 50 500 / s2
在以上加速度的条件下，速度由13.5°/s变化到-10°/s的耗时
t2
23 12 2
10 13.5 50
0.47s
17
起始段直线段耗时：
t12
td12
t1
1 2
t2
2
0.27
0.47 2
1.50s
中间段（2-3）匀速运动速度：
23
3 2
6）变异运算：某一个或某几个基因的改变 随机选择变异点（12） 随机设置交叉点⑩（交叉点设置在被交叉染色体之前） 3号染色体在第二位变异：101001
变异运算结果：111001 （13） 注意2号染色体的变异结果！
34
获得子代群体P（1）——（14） 重复适应度的计算——（15）（16）（17） 已经有了明显的改进！ 实际上个体2即为最佳个体！
以路径最短为评价指标 1.规划空间的网格化建模 直角坐标法、序号法 2.路径规划遗传算法 （1）个体编码方法 网格序号编码： {0,1,11,21,22,23,33,44,…}
37
（3）适应度函数
F 1
1 n 1
D
网格序号编码： {0,1,11,21,22,23,33,44,…}
2
选取左右两端的斜率的平均值
8
3）保证经过途经点的速度和加速度连续
EXP：以 Fig 6.3 中B—D为例
起始点 B 中间点 C
设计两个三次多项式路径。
终点 D
路径1时间经历： t 0 tf1
路径2时间经历： t 0 tf2
1 t a10 a11t a12t2 a13t3 2 t a20 a21t a22t2 a23t3
机器人控制中的视觉引导与路径规划
机器人控制中的视觉引导与路径规划1. 引言随着科技的不断进步，机器人技术越来越广泛应用于各个领域。
机器人控制作为机器人技术的核心内容之一，其设备需要具备视觉引导与路径规划的能力。
本文将从机器人视觉引导和路径规划的角度，探讨机器人控制中的相关重点问题。
2. 机器人视觉引导2.1 机器人视觉感知技术机器人视觉感知技术是机器人实现自主行为的关键。
在机器人控制中，通过视觉引导可以获取环境中的重要信息，并根据这些信息做出响应。
机器人视觉感知技术包括目标检测、目标跟踪和三维重建等。
2.2 机器人视觉引导的应用领域机器人视觉引导技术在各个领域都有着广泛的应用。
在工业生产中，机器人可以通过视觉引导进行无人值守的产品检测和组装。
在农业领域，机器人可以通过视觉引导进行农作物的病虫害检测和精准喷药等。
在医疗领域，机器人可以通过视觉引导进行手术辅助和病变检测等。
3. 机器人路径规划3.1 机器人路径规划的概述机器人路径规划是机器人控制中的重要内容，其目标是使机器人在已知或未知环境中找到一条最优路径，并规划机器人动作以便到达目标点。
机器人路径规划有基于图搜索的方法、基于统计学的方法和基于模型预测控制的方法等。
3.2 机器人路径规划的关键问题机器人路径规划中存在一些关键问题需要解决。
首先是路径是否可行的问题，即路径是否能够避开障碍物和避免碰撞。
其次是路径的最优性问题，即如何在多个可行路径中选择最优路径。
还有一个问题是路径规划的实时性，即机器人需要在实时环境中做出响应。
4. 机器人视觉引导与路径规划的结合4.1 视觉引导与路径规划的潜在优势将视觉引导与路径规划相结合，可以充分利用机器人的感知和决策能力，提高机器人自主行为的效果。
视觉引导可以提供环境中的重要信息，而路径规划可以根据这些信息制定机器人的行动策略。
4.2 视觉引导与路径规划的关键问题视觉引导与路径规划的结合也面临一些关键问题。
首先是如何获取准确的视觉信息，因为不准确的信息可能会导致路径规划的错误。
机器人导航系统的路径规划技术
机器人导航系统的路径规划技术随着人工智能技术的发展，机器人在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。
机器人导航系统的路径规划技术是使机器人能够在复杂环境中安全地移动的关键。
本文将介绍机器人导航系统的路径规划技术，并讨论其中的挑战和应用。
一、机器人导航系统的概述机器人导航系统旨在使机器人能够根据自身的感知能力和环境信息，规划出一条安全且最优的路径，并以此避开障碍物，到达目标位置。
路径规划技术是机器人导航系统的核心，其中包含了建图、定位、路径搜索和路径跟踪等步骤。
二、建图建图是机器人导航系统中的第一步，它是通过机器人自身的传感器来感知周围环境，构建物理空间的模型。
常见的建图方法有激光扫描和视觉感知等。
激光扫描是使用激光传感器对周围环境进行扫描，获取障碍物的位置和形状信息。
而视觉感知是利用摄像头等设备对环境进行图像识别，以获取环境地图。
三、定位定位是机器人导航系统中的关键技术，它是通过感知信息来确定机器人当前的位置。
常用的定位方法有全球定位系统（GPS）和扩展卡尔曼滤波（EKF）等。
GPS定位是利用卫星信号来确定机器人在地球上的位置，但在室内环境或信号受限的地方效果不佳。
而EKF是一种基于概率的滤波算法，通过融合多个感知信息来更新机器人的状态，并估计其当前位置。
四、路径搜索路径搜索是机器人导航系统中的核心环节，它是为机器人规划一条最优路径的过程。
常用的路径搜索算法有A*算法和Dijkstra算法等。
A*算法是一种启发式搜索算法，通过估计机器人到目标位置的代价函数来评估路径的优劣，从而选择最优路径。
Dijkstra算法则是基于图论中最短路径问题的算法，通过遍历图中所有节点来找到最短路径。
五、路径跟踪路径跟踪是机器人导航系统中的最后一步，它是指机器人在遵循规划路径的同时，实时调整自身姿态，实现精确导航。
常用的路径跟踪方法有比例导航和模型预测控制等。
比例导航是通过比较机器人的当前位置和目标位置之间的误差，控制机器人速度和角度来实现路径跟踪。
机器人路径规划简述
遗传算法的应用
由于遗传算法的整体搜索策略和优化搜索方法 在计算是不依赖于梯度信息或其它辅助知识， 在计算是不依赖于梯度信息或其它辅助知识， 而只需要影响搜索方向的目标函数和相应的适 应度函数， 应度函数，所以遗传算法提供了一种求解复杂 系统问题的通用框架， 系统问题的通用框架，它不依赖于问题的具体 领域，对问题的种类有很强的鲁棒性， 领域，对问题的种类有很强的鲁棒性，所以广 泛应用于许多科学。 泛应用于许多科学。
算法过程如下
步骤1：初始化，随机产生一个规模为 的初始种群 的初始种群， 步骤 ：初始化，随机产生一个规模为P的初始种群，其中每个个体为 二进制位串的形式，也就是染色体，每个二进制为称为基因。 二进制位串的形式，也就是染色体，每个二进制为称为基因。 步骤2：计算适应度，计算种群中每个个体的适应度。 步骤 ：计算适应度，计算种群中每个个体的适应度。 步骤3：选择， 步骤 ：选择，选择是指从群体中选择优良的个体并淘汰劣质个体 的操作。它建立在适应函数评估的基础上。适应度越大的个体， 的操作。它建立在适应函数评估的基础上。适应度越大的个体，被选择 的可能性就越大，它的下一代的个数就越多。 的可能性就越大，它的下一代的个数就越多。选择出来的个体放入配对 库中。 库中。 步骤4：交叉，从种群中随机选择两个染色体， 步骤 ：交叉，从种群中随机选择两个染色体，按一定的交叉概率 进行基因交换，交换位置的选取也可以是随机的。 进行基因交换，交换位置的选取也可以是随机的。 步骤5：变异，从种群中随机选择一个染色体， 步骤 ：变异，从种群中随机选择一个染色体，按一定的变异概率 进行基因变异。 进行基因变异。 步骤6：若发现最优解或者到达迭代次数，则算法停止。否则， 步骤 ：若发现最优解或者到达迭代次数，则算法停止。否则，转 步骤2。 步骤 。
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a0 0 a
1 0
2 1 a2 2 0 f tf t f f 0 t f a3
7
3
2 tf
3
f
0
1 tf
2
f
0
2—3有运动方向的变化（反向），显然有负加速度：
sgn 50 500 / s 2 2 23 12
在以上加速度的条件下，速度由13.5°/s变化到-10°/s的耗时
10 13.5 23 12 t2 0.47 s 2 50
4 h b when t2
直线段长度=0，路径由两端抛 物线组成。 加速度增加，抛物线长度下降，极限情况抛物线长度=0.
13
6.1 .4 含途经点的直线+抛物线路径规划
三个相邻的途经点 j,k,l 相邻途经点之间以线性函数相连； 而途经点附近以抛物线过渡。
j k Straight line segment, t jk , jk
以上等式表示为：
机器人抓取位姿 = 操作对象期望抓取位姿
6
Hale Waihona Puke Ttool Cbase t
0
base
Pobj T6
0
1
求解
6
Ttool
，并通过逆向运动学得到各关节变量值。
实时完成难度较大，需要预先进行路径的规划。
22
6.3 移动机器人路径规划
移动机器人是集环境感知、动态决策、行为控制与执行等 多功能于一体的综合性系统。
0 0 , t f = f
满足2个位置约束条件，且光滑（连续）的轨迹 曲线有多种。
2个速度约束条件
0 0, t =0 f
满足以上4个约束条件的至少是3次多项式
t a0 a1t a2t 2 a3t 3
t a1 2a2t 3a3t 2 t 2a 6a t
j k Full section, tdjk
: Acceleration of parabola section at point j j : Acceleration of parabola section at point k k
14
三个相邻的途经点 j,k,l
jk
2
1 0 1 t f 0 1 0 1
1
0 tf 2 0 2t f
0 2t f
0 tf 3 0 3t f 2
a0 0 a1 0 a2 t f 2 f 0 2 tf
3
3
a3
5
f
0
Exp:6-1
0 0, t =0, t 3s 0 150 , t f =750 , f f
19
3-4段匀速运动的时间（匀速速度-5.10°/s）：
1 0.098 t34 td 34 t4 t3 3 0.102 2.849 s 2 2
20
6.2 直角坐标空间路径规划
在直角坐标空间的轨迹规划系统中，作业是用机械手终端 夹手的直角坐标节点序列确定的。 直角坐标节点： 表示夹手位姿的齐次变换矩阵。
8
3）保证经过途经点的速度和加速度连续
EXP：以 Fig 6.3 中B—D为例 起始点 B 中间点 C 终点
D
设计两个三次多项式路径。 路径1时间经历： t 0 tf1
1
路径2时间经历： t 0 tf 2
2
t a10 a11t a12t 2 a13t 3
0 a0 f a0 a1t f a2t f 2 a3t f 3
0 a1 0 a1 2a2t f 3a3t f 2
a0 0 1 0 a 1 t f 1 f a2 0 0 1 a3 0 0 1 0 tf
加速度约束：
1
t 2 0 2a t 6a t 2a f1 12 f 1 13 f 1 22
约束条件确定了8个线性方程，可以解得两个三次多项式中的所有 待定参数！
10
6.1 .3 直线+抛物线路径规划
起始点和终点之间直线最短路径的优化方案。
t a bt
t 1 1
t1 td 12 td 12 2
2 2 1
1
sgn 1 2 1 1
15
1 t12 td 12 t1 t2 2
结束段，与起始段成对应关系。
1 100
2 350 3 250 4 100 td12 2s td 23 1s td 34 3s
移动机器人路径规划技术就是移动机器人在具有障碍物的 环境中按照一定的评价标准（如工作代价最小、行走路径最短、 行走时间最短等），寻找一条从给定起点到达目标终点的无碰 路径。
23
传统路径规划大多基于图论的思想，通过一定的方法建立 几何模型，进行空间路径的搜索，包括自由空间法、图搜索法、 栅格解耦法、动态规划算法等。
起始段：
500 s2 1
t1 td 12 td 12 2
16
起始段加速段时间：
2 2 1 2 35 10 2 4 0.27 s 50
1
静止到加速到匀速的时间
1 100
2 350 3 250 4 10 0 td12 2s td 23 1s td 34 3s
B a10
t a20 a21t a22t 2 a23t 3
位置约束：
C a10 a11t f 1 a12t f 12 a13t f 13 C a20 D a20 a21t f 2 a22t f 2 2 a23t f 23
9
24
智能路径规划是随着近年来人工智能的深入研究而发展起 来的优化方法，其中有模糊逻辑法、神经网络法、遗传算法以 及现在非常热门的仿生算法，如蚁群算法、免疫算法、粒子群 算法、蜂群算法等。
P 0 P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6
以上即为夹手必须经过的直角 坐标节点。参照这些节点的位 姿，可将手部描述为一连串的 运动和动作。
21
在直角坐标中，将机器人的目标（节点）位姿通过以下 矩阵方程表示：
0
T6 6Ttool 0Cbase t base Pobj
t a t t a t b b
1 2
t 0 t tb
t0 t tb
抛物线末端速度=直线段（恒速）的速 度
t a t b b t b
h b
th tb
let t 2th
所要求的运动持续时间
速度约束：
1
0 0 0 a 11
2 1
t 0 0 a 2a t 3a t 2 f2 21 22 f 2 23 f 2
t 2 0 a 2a t 3a t 2 a f1 11 12 f 1 13 f 1 21
途经点速度的确定
1）由直角坐标速度通过雅可比矩阵变换成为关节速度
J P q
2）采用近似方法获取
J 1 P q
0, 0, 0, 0 0 A B D
C C C 2
选取左右两端的斜率的平均值
17
起始段直线段耗时：
1 0.47 t12 td 12 t1 t2 2 0.27 1.50 s 2 2
中间段（2-3）匀速运动速度：
23
3 2
td23
25 35 100 / s 1
但是匀速运动时 间暂时无法求到！
结束段（3-4）的减速时间（由一定的速度到静止状态）：
t4 3 9 2 10 25 0.102 s 50
结束段（3-4）的匀速运动时间：
34
18
10 25 5.100 / s 3 0.05
23
3 2
td23
25 35 100 / s 1
34
10 25 5.100 / s 3 0.05
1—2间匀速运动
12
2 1
1 td12 t1 2
t 50*0.27 13.50 / s 1 1
中间段（2-3）匀速运动速度：
23
但是匀速运动时间暂时无法求到！ 因为末端减速段耗时未知！
3 2
td23
25 35 100 / s 1
6
6.1 .2 含途经点的三次多项式路径规划
起始点 途经点 …… 终点
在每一个途经点不停歇（速度不为0）
0 0 , t f = f
0 , t = 0 f f
0 a0 f a0 a1t f a2t f 2 a3t f 3
但端点速度不为0（危害？）
设计直线+抛物线的混合路径规划
带有抛物线过渡域的线性轨迹 为简化设计，假定首末两端抛物线 的时间长度相等。 路径相对于时间中点和位置中点是对 称的。 th , h
11
抛物线段的方程： 抛物线的速度方程： 在抛物线的末端 的速度：
t 0 a t 2
第6 章
机器人路径规划