2012年高教社杯数学建模D题--机器人避障问题论文设计
机器人避障问题的解题分析(建模集训)
v1.0 可编辑可修改机器人避障问题的解题分析摘要：本文对2012年全国大学生数学建模竞赛D题机器人避障问题进行了全面分析，对最短路的设计进行了理论分析和证明，建立了机器人避障最短路径的几何模型，对最短时间路径问题通过建立非线性规划模型，有效地解决了转弯半径、圆弧圆心位置和行走时间等问题。
关键词：机器人避障；最短路径；Dijkstra算法；几何模型；非线性规划模型1 引言随着科学技术的进步和计算机技术的发展，机器人的应用越来越广泛，在机器人的应用中如何使机器人在其工作范围内为完成一项特定的任务寻找一条安全高效的行走路径，是人工智能领域的一个重要问题。
本文主要针对在一个场景中的各种静态障碍物，研究机器人绕过障碍物到达指定目的地的最短路径问题和最短时间问题。
本文以2012年“高教社”杯全国大学生数学建模竞赛D题“机器人避障问题”为例进行研究。
假设机器人的工作范围为800×800的平面正方形区域（如图1），其中有12个不同形状的静态障碍物，障碍物的数学描述（如表1）：图1 800×800平面场景图表1在原点O(0, 0)点处有一个机器人，它只能在该平面场景范围内活动，机器人不能与障碍物发生碰撞，障碍物外指定一点为机器人要到达的目标点。
规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径。
机器人不能折线转弯，转弯路径由与直线路径相切的一段圆弧组成，也可以由两个或多个相切的圆弧路径组成，但每个圆弧的半径最小为10个单位。
为了不与障碍物发生碰撞，同时要求机器人行走线路与障碍物间的最近距离为10个单位，否则将发生碰撞，若碰撞发生，则机器人无法完成行走。
机器人直线行走的最大速度为50=v 个单位/秒。
机器人转弯时，最大转弯速度为21.0100e1)(ρρ-+==v v v （ρ是转弯半径）。
如果超过该速度，机器人将发生侧翻，无法完成行走。
场景图中有4个目标点O(0, 0)，A(300, 300)，B(100, 700)，C(700, 640)，下面我们将研究机器人从O(0, 0)出发，求O→A、O→B、O→C和O→A→B→C→O的最短路径，以及机器人从O(0, 0)出发，到达A的最短时间路径问题。
机器人避障问题数学建模论文
2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛承诺书我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。
我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。
我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。
如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。
我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）：我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）：所属学校（请填写完整的全名）：参赛队员(打印并签名) ：1.2.3.指导教师或指导教师组负责人(打印并签名)：日期： 2011 年 9 月 11 日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛编号专用页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：机器人避障问题摘要本文通过在给定的平面场景范围内对机器人就如何躲避12个不同形状障碍物区域的避障行走问题进行探究，在出发点到目的点的多种情形中进行选择，并根据要求，保证所走的路线为直线段和圆弧。
继而探究避障的最短路径及最短时间路径的数学模型，在此探究过程中，运用穷举法，进行各种行走路线的CAD绘图，利用平面几何的点、线、圆的关系求解行走路径所经过点的坐标、线段长度、和弧长，在各总长度中进行比较，找出最短路径。
最终，根据机器人速度的数据，建立最短时间路径的数学模型，运用LINGO软件最终求出最短时间的路径。
针对问题一，根据题意，为了不与障碍物发生碰撞，同时要求机器人行走线路与障碍物间的最近距离为10个单位，可分别以障碍物的边界处绘制以10为半径的圆，从而确定安全的可行走的活动范围。
2012高教社杯全国大学生数学建模竞赛D题机器人避障评阅要点
2012高教社杯全国大学生数学建模竞赛D题评阅要点[说明]本要点仅供参考，各赛区评阅组应根据对题目的理解及学生的解答，自主地进行评阅。
问题常见于计算机图形处理和机器人自动行走，其中二维和三维避障问题是热点课题。
固定场景中的避障是其中较简单的情形，不涉及障碍物的移动和障碍物的识别。
本问题的数学模型和求解算法份量基本相当。
1．预处理：将原始障碍物作适当扩大，确保不发生碰撞。
在合理的假设下，要求预处理步骤清晰，说明适当，明确给出最后的处理结果。
2. 数学模型：必须明确建立路程最短和时间最少的优化模型，要给出明确的决策变量、目标函数和
约束条件，表述准确全面。
3. 求解方法：机器人路径规划求解方法较多，尽量选择合适的求解方法和相应的算法，给出求解方
法的思想，求解算法的步骤或流程图，并给出图形的预处理过程和描述。
4. 结果与分析：要有明确的数值结果和路线图，表达简明、清晰。
最优路径应由直线段与圆弧光滑
连接而成。
例如，第一问的圆弧半径为10，第二问的圆弧半径需通过优化模型计算得到。
例如，到B点距离最短的最优路径可参见图1，到A点时间最短的最优路径可参见图2。
5. 深入分析：本问题有较大的发挥空间，参赛者利用参考文献作深入分析时，可考虑适当加分。
（1）讨论不同算法对2种最优结果的影响；
（2）适当考虑直线行走与转弯之间时间延迟的影响；
（3）适当扩充，讨论障碍物变形或不规则障碍物对最优结果的影响等；
（4）适当扩充，定性讨论障碍物的适当移动或目标点的适当移动对结果的影响，或者定性讨论三维空间的情况等。
图1 图2。
2012年数学建模机器人避障问题
机器人避障问题摘要本文主要运用直线逼近法等规律来解决机器人避障问题.对于问题一：要求最短路径运用直线逼近法证得圆弧角三角形定理，得出结论：若一大圆弧角三角形完全包括另一小圆弧角三角形，则该三角形曲线周长必大于小的三角形周长.那么可知机器人在曲线过弯时，选择最小半径可满足路径最短，即为10个单位半径，通过观察可得可能的所有曲线，通过仅考虑直线段的大致筛选选出总长较小、长度相近（之差小于100）的曲线，然后利用平面几何知识对相关切点，进而求出各直线、曲线的长度，求和可得最段路线.对于问题二：通过对机器人过弯规律21.0100e 1)(ρρ-+==v v v 的分析可知，当过弯半径13ρ=时，机器人速度达最大速度为50=v 个单位/秒，再大就无变化了，那么可分两种情况考虑：1）当13ρ>时，过弯速度无变化，但由圆弧角三角形定理可知，此时随着ρ的不断变大，其路线总长不断变大，这时ρ越小O A →所用时间最短；2）当13ρ≤时，统计计算ρ分别为10、11、12、13时，过弯速度v 也不断变化，计算所用时间发现随ρ不断变大，O A →所用时间越短，此时当13ρ=时，时间最短.综合上述可知：当13ρ=时，时间最短.关键词：质点机器人 安全范围 直线逼近法 圆弧角三角形定理 10单位半径1 问题重述在一个800×800的平面场景中，在原点O(0, 0)点处有一个机器人，它只能在该平面场景范围内活动，其中有12个不同形状的区域是机器人不能与之发生碰撞的障碍物，物的距离至少超过10个单位）.规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径.机器人不能折线转弯，转弯路径由与直线路径相切的一段圆弧组成，也可以由两个或多个相切的圆弧路径组成，但每个圆弧的半径最小为10个单位.为了不与障碍物发生碰撞，同时要求机器人行走线路与障碍物间的最近距离为10个单位.机器人直线行走的最大速度为50=v 个单位/秒.机器人转弯时，最大转弯速度为2100.110()(1e)v v v ρρ--==+，其中ρ是转弯半径.如果超过该速度，机器人将发生侧翻，无法完成行走.下面建立机器人从区域中一点到达另一点的避障最短路径和最短时间路径的数学模型.对场景图中4个点O(0, 0)，A(300, 300)，B(100, 700)，C(700, 640)，具体计算：(1) 机器人从O(0, 0)出发，O→A 、O→B 、O→C 和O→A→B→C→O 的最短路径. (2) 机器人从O (0, 0)出发，到达A 的最短时间路径.2 问题分析2.1问题一：该问题要求路径最短，即不要求速度与时间，则可认为以最小半径10的圆过弯.如图2.1所示：由圆弧角三角形定理（简单证明见模型准备5.3）可知过弯时，只有采用10单位半径过弯时，才会使得过弯路径最短，因此解决问题一的过弯拐角问题均采用10单位半径过弯路径. 2.2问题二：由于O→A 过程中，机器人至少要经过一次转弯；因为转弯时的速度一般小于直线行走的最大速度，又由分析指出转弯次数越多，转弯路径越远，转弯所花费的时间也越长.所以可以确定有且只有一次转弯时才存在最短时间路径.就仅考虑只经过一次转弯的情形.3 模型假设1）假设机器人可准确执行运动轨道，无任何偏差；2）假设机器人为一可运动的质点，即质点机器人不考虑其外形尺寸； 3）假设机器人的行进速度可瞬时加减变化，不受条件限制；4）假设机器人可到达边界线而不会发生碰撞，即对边界线不再加10个单位.4 符号说明hij D ： 机器人的行走路径上各切点，h 表示路径目的地（A 、B 、C ），i 表示到达h 机器人行走路线的第(1,2,3,)i i = 种方案，j 表示机器人在该路线上所经过的第(1,2,3,)i i = 个点；hij L : 机器人的行走路径上的线段长或弧长，h 、i 、j 同上定义；ij D ：机器人的行走路径上的障碍物的顶点，i 、j 同上定义；`hj D ：机器人在O A B C O →→→→环道中的各线切点h 、j 同上定义5 模型准备5.1建立机器人运动坐标系：以O 为原点，两对应坐标轴，水平方向为X 轴，垂直方向为Y 轴5.2建立机器人可安全运动到达的区域图：由于保持安全距离10个单位，则机器人的实际可到达到区域应由各障碍物的外延10个单位的区域组成如图所示图5.2.1实线外的空白部分.5.3圆弧角三角形定理：定义1：平面内若两不平行直线所夹的角被一同时与这两条直线相切的圆弧段取代而形成的角，叫做圆弧角.如图5.3.2，称为凸圆弧角（本文主要讨论）；如图 5.3.3，称为凹圆弧角.定义2：由有一内角为凸圆弧角的三角形为圆弧角三角形.圆弧角三角形定理：圆弧角`DHD ∠在直线`DD 及上方范围完全包含圆弧角`DGD ∠（即圆弧角DGD ’各边均在圆弧角`DHD ∠的边与线段DD ’所构成的封闭区间内，如图5.3.1所示）时，则有曲线段`DGD 的长度恒小于曲线段`DHD 成立.证明：如图 5.3.1，过圆弧 'EGE的一个端点E 作该圆弧在该点的切线的垂线交曲线DH 于点F ，同样过圆弧 'EGE的另一个端点'E 也作相应的垂线交曲线'D H 于点'F ，两条直线的交点O 显然为圆弧 'EGE 所在圆的圆心. （1）,EF DE ⊥ 90DEF ∴∠=︒ ；,DF DE ∴> 曲线段DF DF ≥， ∴曲线段DF DE >.（2）'''',E F D E ⊥ '''90D E F ∴∠=︒；'''',D F D E ∴> 曲线段''''D F D F ≥；∴曲线段''''D F D E >.（3）将''EFF E 分成n 等份（如图5.3.5），每部分（见图5.3.4）中，,(1,,)i i M N i n = 是 MN 与边界的交点.令i i M N 为i M ，i N 两点间直线长度，''i i M N 为`i A ,`i E 两点间直线长度，则圆弧 MN 长度=1lim ni i n i M N →∞=∑，曲线`AE 长度=''1lim ni in i M N →∞=∑又容易证明，''(1,,)i i i i M N M N i n ≤= ，故有''11lim lim n ni i i i n n i i M N M N →∞→∞==≤∑∑ .因此，圆弧 MN长度≤曲线 ''M N 长度. 综合（1）（2）（3）的证明，得曲线段DF +曲线段''D F +曲线 ''M N 长度 > DE +''D E +圆弧 MN长度.结论得证. 6 模型建立与求解该问题要求路径最短，即不要求速度与时间，则可认为过弯半径允许以最小半径10，如图6.1所示.由圆弧角三角形定理可得：本论文问题一求路径最短可采用10单位过弯半径，即以半径为10个单位的圆弧过弯可满足两点避障过弯最短问题.6.1问题一的模型建立与求解：6.1.1：机器人从O(0, 0)出发，O A →的最短路径. 由圆弧角三角形定理可得：采用10单位半径过弯路径最短，解决过弯避障拐角问题采用10单位半径过弯路径.已知机器人所走路线为直线或圆弧，那么通过实际规划可得如下四种避障行进方案：如图6.1.1首先对上述四条路线进行筛选：1）当机器人以一个连续圆弧过弯，即选择路 线二或路线四时,其中路线二：分别过点O A ，和障碍物5的切点23a D （72.74，216.88），则可得过该三点的圆的方程：225406140x y x y ++-=显然当0x =时，y 有不等的两个根，则该路线超出规定场地. 同理路线四的圆方程：22(73.98)(226.02)56558.350x y -+--= (Matlab 求解程序见程序01) 当0y =时，x 有不等的两个根，则该路线也超出规定场地.2）当机器人以直线—圆弧—直线的方式过弯，即有以10单位半径过弯模式的线路一和三：比较线路一与线路三：显然路线一的总长1111213a a a a L L L L =++，线路三的总长3313233a a a a L L L L =++. 解得13471.04498.44a a L L =>=则可知O→A 的最短路径为路线一总长为1471.04a L =，下表5.1.1为线路一的各点的详细参数，表6.1.2为各线的参数.表6.1.26.1.2机器人从O(0, 0)出发，O B →的最短路径由圆弧角三角形定理可得：采用10单位半径过弯路径最短： 通过观察可得如下四种较短的避障行进方案，如图6.1.2：由于方案较多，可预先进行粗略筛选：如图所示：大致统计长度仅包括直线段长度如下表6.1.2线的精确长度：设：11b OD 、1111b D D分别表示O 点到点11b D ，点11b D 到点11D 之间的向量；1111b D D 为11b D 、11D 两点之间的向量的模；()()(),hij hij x y 表示切点hij D 坐标；()()(),ij ij x y 记为障碍物顶点ij D 的坐标；b11L2220(b12)(b11)(b12)(b11)00b12-((x -x )+(y -y ))22=arccos()L ρρρ⨯b13L11(11)(00)(11)(00)(,)b b b OD x x y y =-- ()1 61(61)(00)(61)(00)(,)OD x x y y =--1111(11)(11)(11)(11)(,)b b b D D x x y y =--()2 1111110b b D D OD =()3 1111b D D r =()4联立方程()1()2()3()4解得11b D (50.14,30.64)由于点12b D ，13b D 分别是以点61D ，61D 为圆心r 为半径圆的外公切线切点，所以 由点到直线的距离公式得0ρ= ()50ρ=()6并且线段13126163b b D D D D =()7由于直线13126163b b D D D D 平行直线由斜率相等得(13)(13)(61)(63)(13)(13)(61)(63)b b b b x x x x y y y y --=-- ()8联立方程()5()6()7()8解得点12b D 的坐标(51.6795,305.547)13b D 的坐标(141.68,440.55)线路一和线路二的各段路线及总长分别如下表6.1.2,6.1.3同理可解得各点坐标如下表6.2.4→的最短路径为：O B6.1.3机器人从O(0, 0)出发，O C→的最短路径由圆弧角三角形定理可得：采用10单位半径过弯路径最短：通过观察可得如下避障行进方案，如图6.1.3由于该线路同样较复杂，可通过大致筛选，仅考虑其中的直线段长度.将通过障碍物1上边沿的线路称为上线路，通过下边沿的线路称为下线路1）考虑上线路中最短路径：上线路中如图6.1.3.1分两大段，上半段：线路A、B、C，下半段：线路D、E对上半段的线路进行只计算线段的粗筛选：计算统计可得三线路的粗选长度：如对下半段的线路进行只计算线段的粗筛选： 计算统计可得三线路的粗选长度：如表6.1.62）考虑下线路中最短路径： 如图图6.1.3.2对下线路的线路进行只计算线段的筛选：计算统计可得线路的长度：下表6.1.7为路线一的各段线路总长对于同一条路径上的两个相邻点(),i i x y 、()11,i i x y ++来说，如果这两点之间的路径为直线段时，用通式1L 计算；如果这两点之间的路径为弧线段时，可用通式2L 计算：1L 222011002-((-)(-))22=arccos()i i i i x x y y L ρρρ+++⨯下表6.2.8为路线二的各段线路总长下线路的两段线路对比得：线路一最短为：950.84综合上线段、下线段可得：线路一最短.各切点坐标如下表6.1.9表6.1.96.1.4机器人从O(0, 0)出发，O A B C O →→→→的最短路径 由圆弧角三角形定理可得：采用10单位半径过弯路径最短：6.1.4.1A B →的最短路径求解： 通过实际规划可得如下A B →的避障行进最短方案：如图6.1.4.16.1.4.2B C →的最短路径求解：通过实际规划可得如下A B →的避障行进最短方案：如图6.1.4.1对线路一、二进行大致选可得下表表6.1.10则可知路线一距离最近对于同一条路径上的两个相邻点(),iix y 、()11,i i x y ++来说，如果这两点之间的路径为直线段时，用通式1L 计算；如果这两点之间的路径为弧线段时，可用通式2L 计算：1L 222011002-((-)(-))22=arccos()i i i i x x y y L ρρρ+++⨯6.1.4.3线路经过A 、B 、C 的圆弧处理问题为使经过A 、B 、C 的圆弧路线最短，在A 与相邻切点的连线形成的夹角的平分线，以该角的平分线为基础，在该线上做与点A 相切的半径为10个单位的圆，则此时通过该构造圆与相邻圆弧的切线连接就产生了，进而保证了机器人的圆弧过弯和线路最短. 点A 的圆弧处理结果如图6.1.4.3则综上所述：求得各线短的最短路径，则可计算并统计出线段总长及各切点坐标如下表表6.1.116.2问题二的模型建立与求解：由于O→A 过程中，机器人至少要经过一次转弯；因为转弯时的速度一般小于直线行走的最大速度，又由分析指出转弯次数越多，转弯路径越远，转弯所花费的时间也越长.所以可以确定有且只有一次转弯时才存在最短时间路径.故以下就仅考虑只经过一次转弯的情形.机器人由起点到终点所用时间121255O AOQ Q AQ Q t v →=++，对于每种固定的转弯半径来说，转弯路径所在的圆的圆心与点(80,210)连线垂直平分该转弯路径所在的圆弧时，所得的总路径长度最短.如图6.2.1所示.对于已知条件中的最大转弯速度为21.0100e1)(ρρ-+==v v v ，其中ρ是转弯半径通过matlab 画出其图像，见程序02 如图6.2.2根据图6.1中所示，当1013R ≤<时，v 随R 增加而增加；当13R ≥时，v 已非常趋近于5单位/秒，此时可以看做v 不随R 增加而变化了.于是可以分两种情况解决本问题：1)当13R ≥时，由于O→A 整个过程的平均速度可以达到最大05v =单位/秒，以这样的速度沿最小的路径就可以使到达A 的时间最短.通过问题一中对机器人O→A 最短路径的分析，可知其最小时间路径应在OA 连线左上方区域；同时根据所建立并证明的圆弧角三角形定理可以知道，所得路径的转弯半径应为13个单位（如图6.2.3）1236.1392OQ =, 120.9077Q Q =,2223.1903Q A =,总长度： 1122++471.1296L OQ Q Q Q A == 总时间：1212471.135594.225595O AOQ Q A Q Q L t v →=++===（秒）2)当1013R ≤<时，图6.2取自原题目图中的一部分，其中(0,0)O ，2(80,210)O ，(300,300)A 点的坐标均已给出.1Q 、2Q 分别为OQ1和OQ2与1O 的切点，其中1O 又与2O 相切于3Q 点.假设半径R 已知，1O 、1Q 、2Q 、3Q 的坐标分别为00(,)x y 、11(,)x y 、22(,)x y 、33(,)x y ，则可列出如下方程组：2221010()()x x y y R -+-= 2222020()()x x y y R -+-= 2223030()()x x y y R -+-= 22233(80)(210)10x y -+-=21302130()()()()0x x x x y y y y --+--=310302108080y y y x x --=-- 110110()()0x x x y y y ⨯-+⨯-=202202()(300)()(300)0x x x y y y --+--=分别取R =10，11，12，13并解方程组可以得到总时间t 随转弯半径R 变化的数据，根据弧长公式得12Q Q AR =, A = 最终计算数据如下表：6.2.1最终会趋于94.22秒.因此，可以确定出最短时间路径.经过以上两种情况的讨论，可得最短时间路径， 具体坐标信息见表6.2.27 模型的评价与推广7.1优点：1)该模型采用较准确的及计算方法，数据精度高，可信度高. 2)该模型定义了新的几何名词与定理.具有一定的创新性. 3)利用估算法减少了计算量. 7.2缺点：程序利用率和执行率较低，计算量较大. 7.3应用与推广：自动控制技术 智能机器人技术 避障快速救援项目8参考文献[1]姜启源谢金星，数学建模，北京：高等教育出版社，2003[2]薛毅，数学建模基础，北京：北京工业大学出版社，2004[3]杨启帆方道元，数学建模，浙江，浙江大学出版社，19999附录程序01%三点确定圆方程%三点坐标x1=input('请输入x1=');y1=input('请输入y1=');x2=input('请输入x2=');y2=input('请输入y2=');x3=input('请输入x3=');y3=input('请输入y3=');if((y1==y2)&(y2==y3))disp('三点不构成圆!');elseif((y1~=y2)&(y2~=y3))k1=(x2-x1)/(y2-y1);k2=(x3-x2)/(y3-y2);endif(k1==k2)disp('三点不构成圆!');enda=2*(x2-x1);b=2*(y2-y1);c=x2*x2+y2*y2-x1*x1-y1*y1;d=2*(x3-x2);e=2*(y3-y2);f=x3*x3+y3*y3-x2*x2-y2*y2;disp('圆心为::');x=(b*f-e*c)/(b*d-e*a)y=(d*c-a*f)/(b*d-e*a)disp('半径为::');r=sqrt((x-x1)*(x-x1)+(y-y1)*(y-y1))利用参考文献：/thread-790618-1-1.html/求助已知3点怎么用MATLAB编程求圆的方程/参考程序程序02function plot_v_rr=0:0.5:20;v=5./(1+exp(10-0.1*r.^2));plot(r,v)grid on。
二维机器人避障问题的案例教学内容设计
九 江 职 业 技 术 学 院 学 报 Journal of Jiujiang Vocational & Technical College
220. 1394) 和 ( 300 , 300)。 路径图如下图 3 :
2012. 4
类似地 , 另一个切点 D 坐标也满足如下方程组 : ( m - x) +(n - y) = p (x - 300) (x - m)+( y - 300) ( y - n)= 0 同理可求得切点 D 坐标 。 三 、 参考解答 考虑到模型建立 、 精度选取的不同 , 下面仅给出一种参 考解答 。 案 例教学时对学生实际完成的有创新性的模型和方 法 , 哪怕结果有出入 , 也要予以特别的关注和科学的引导 。 1 .场景图及预处理场景如下图 2 :
2 2 2 | OQ | + | AQ | | OA | ; 2 | OQ | | AQ | ρ ρ ∠ OQC = arcos ; ∠ AQD = arcos ; |OQ | | AQ | θ= ∠ CQD = 2 π - ∠ OQA - ∠ OQC - ∠ AQD 。 最小目标函数 ( 含路程最短 和时间最少) 为 :
2012. 4
法完成行走 。
九 江 职 业 技 术 学 院 学 报 ( 陈晓江 : 二维机器人避障问题的案例教学内容设计)
21
参数 m , n 可依据动圆半径 ρ最大为 14 , 得 到两个参数 的取 值范围 。
2 .问题提出 针对机器人在案例背景中给出的场景中行走 , 既要避障 又要达到目标位置的要求 , 请分析并完成如下四个任务 : ( 1) 画 出该二维场景图 , 及预处理场景图 。 ( 2) 计算 出 机 器 人从 O (0 , 0) 出 发 , 到 达 A ( 300 , 300) 最短路径的距离 。 ( 3) 计算 出 机 器 人从 O (0 , 0) 出 发 , 到 达 A ( 300 , 300) 最短时间路径的 时间 、 距 离 、 各路段 起始 点坐标 以及 圆弧圆心坐标和转弯半径 , 并画出路径图 。 ( 4) 自 行设计若干拓展问题 , 并提出解决思路 。 二 、 模型分析 、 建立和解算 1 .模型分析 因为机 器人圆弧行走 的最小半 径为 10 个 单位 , 直 线行 走避障距离最小为 10 个单位 , 因 此需要 考虑在 场景中 设置 机器人行走的 “ 危险区域” 进行预处理 , 该区域为按照最小 距离单位覆盖所有障碍物 的包络 图 。 用 M A T LAB 软 件编程 将二维场景图和预处理场景图绘图在一个平面图形中 。 由于最短路径和最短时间路径的区别在于机器人走圆弧 的转弯速度 , 而转弯速 度又取 决于圆 弧半径 。 第 ( 2) 问行 走速度固定 , 为达到最短路径要求圆弧半径始终设定为 ρ= 10 个单位 , 第 ( 3) 问则根据问 题所给要求 , 直线行 走速度 在保 持 最 大 速 度 的条 件 下 , 适 当增 加 转 弯 半 径 ( 即 ρ> 10 ) , 用以 增 大圆 弧 距离 , 从而 提 高 走圆 弧 的速 度 。 因 为 v0 ρ )≈ li m 2 = 5 , 事 实上 , 当 ρ 取 14 时 , v( 1ρ ρ ※∞ 1 + e10-0. 4. 9997 已非常接 近最 大直行 速度 , 于是 搜索 最短 时间 路径 时可以考虑条件 : 10 < ρ≤ 14 。 2 .建立模型 考虑机 器人行走规则 , 可 以建立 一个统 一的数 学模 型 , 模型准备如下 : ( 1) 以 圆心在第 5 个障 碍物左 上顶点 , 半径为 10 的圆 为一个定圆 。 ( 2) 以圆心为动点 Q( m , n )、 半径 为 ρ的 圆为一 个动 圆 , 保持动圆始终跟定圆内切 ( 定圆始终在动圆内) 。 ( 3) 最短路径采 用 “ 拉绳 法” 〔3〕 , 即用 连接 O 、 A 之间 的一根绳子 , 以障碍物上的定圆为支撑拉紧绳子 , 则绳子长 度就是从 O 到 A 点 之间 的最短 路径 。 此 时 , 最 短路径 为两 个直线段和一个圆弧段组成 , 定圆圆心坐标为 ( 80 , 210)。 ( 4) 最 短时间路径采用 “ 拉绳法” 和 “ 自然下垂法” 相 结合的办法 , 其中 “ 拉绳法” 原理同上 , 只是支撑圆弧替换 为动圆 , 而 “ 自 然下 垂 法” 是 指 :当 绳 子 两端 O 、 A 拉 紧 时 , 动圆可以绕着定圆自然下垂摆动 , 并保持定圆始终在动 圆的上半圆 内 切 ( 如图 1), 以 实 现最 短 时 间 路径 。 此 时 , 在机器人沿着由上述最短路径的基础上 , 以行走时间最短为 目标函数编程 搜索 出最 佳位 置的 动圆 参数 :动 圆圆 心 坐标 (m , n ) 、 动圆半径 ρ。 搜索算法模 型的优化 条件可 以根据 平面几何中 “ 两个内切圆的圆心距离等于动圆半径与定圆半 径的差” 的定理可优化减少一个参数 , 比如 ρ;剩下的两个
“机器人避障问题”论文
机器人避障问题摘要移动机器人是一种能够在工作环境中自由移动并完成预定任务的智能系统，移动机器人的避障问题则是移动机器人控制领域的研究热点。
本文针对移动机器人的避障问题，建立了最短路径及最短时间路径的数学模型。
并应用于解决本题给定的路径规划问题，获得了满足问题需求的全部最优路径。
对于最短路径问题，本文分析了障碍物对移动机器人运行的影响，给出了最优移动规则；建立了简化的路径网格模型，将其抽象为由节点及边构成的两维图，并确定了其各项参数，再使用经典的Dijkstra算法获得可行的最短路径。
由于计算机行走过程与障碍物之间还需满足一定的间隔约束，故上述结果可能并非最优，故我们实际还需对次优的几条参考路径（也可通过以上Dijkstra算法获取）进行精算，经准确计算获得各段路径的具体位置后，确定实际的最短路径。
为方便计算，文中推导了自指定点向指定圆作切线，两个相离圆的内、外切线方程的解析表达式，给出了闭式结果，作为MATLAB编程的依据，从而大大提高了运算处理的速度及精度。
考虑到移动机器人需完成由O→A→B→C→O的多点移动，且中间不能折线运行，即机器人在通过上述点时一般必须以圆弧通过，且其上下游多数也是圆弧路径，其通过点并不固定。
为此，理论推导了该未知圆弧的约束公式，以各圆心之间距离最小作为优化条件，建立数学模型，再使用MATLAB中的fmincon有约束优化工具箱获得了理想的结果。
对于最短时间路径问题，本文分析了移动机器人弯道运行的速度曲线，特别是对O→A两点间的避障问题进行了详细的理论分析与推导，通过几何关系得出了转弯半径与总的移动距离、移动时间的严格数学关系，此后借助MATLAB优化函数fminsearch获得最佳的转弯半径。
经分析计算，得到下述结果：结论1：机器人完成O→A，O→B，O→C及O→A→B→C→O的最短路径总距离分别是：471.04、853.70、1050.50、2712.68单位长度；总时间分别是96.02、179.07、235.19及570.36秒。
机器人避障问题的最短路径分析
机器⼈避障问题的最短路径分析机器⼈避障问题的最短路径分析摘要本论⽂研究了机器⼈避障最短路径和最短时间路径的问题。
主要讨论了在⼀个区域中存在12个障碍物，由出发点到达⽬标点以及由出发点经过若⼲⽬标点最终到达出发点的两种情况。
采⽤传统的避障⽅法——切线图法。
建⽴了线圆结构，这样任何路径，我们都可以将路径划分为若⼲个这种线圆结构来求解。
对于途中经过节点再到达⽬标点的状况，我们采⽤在转弯点和节点都采⽤最⼩转弯半径，以节点为切点的形式。
然后建⽴了最优化模型，利⽤MATLAB软件对⽅案进⾏求解。
问题⼀：把路径分解成若⼲个线圆结构来求解，然后把可能的最短路径采⽤穷举法列举出来，最终得出最短路径：AO→最短路径为：471.0O→最短路径为：869.5BO→最短路径为：1093.3C对于O→→→我们将A、B、C看作切点，同样采⽤线圆结构CBAO→计算。
O→→→→最短路径为：2827.1AOCB问题⼆：考虑避障路径和转弯速度，我们建⽴时间与路径之间的模型，⽤MATLAB软件求出最优解。
当转弯半径为11.5的时候，可以得出最短时间为：T=94.3关键词最优化模型避障路径线圆结构切线图法⼀、问题重述本⽂是求⼀个机器⼈在800×800的平⾯场景图中避开障碍物，建⽴从原点O(0, 0)点处出发达到终点的最短路径和最短时间路径的模型。
即求：1、O→A 、O→B 、O→C 和O→A→B→C→O 的最短路径。
2、O →A 的最短时间路径。
机器⼈在⾏⾛时的要求是：1、它只能在该平⾯场景范围内活动2、图中有12个不同形状的区域是机器⼈不能与之发⽣碰撞的障碍物（障碍物的分布如图1）3、障碍物外指定⼀点为机器⼈要到达的⽬标点（要求⽬标点与障碍物的距离⾄少超过10个单位）。
4、规定机器⼈的⾏⾛路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器⼈转弯路径。
机器⼈不能折线转弯，转弯路径由与直线路径相切的⼀段圆弧组成，也可以由两个或多个相切的圆弧路径组成，但每个圆弧的半径最⼩为10个单位。
机器人论文数学建模大赛2012年浙江省一等奖
机器人避障模型摘要：本文主要考虑在固定的场景范围内，当机器人需躲开障碍物从区域的一点到达另外一个固定点时，如何设计行走路线，使得机器人所走的路径最短或者所需的时间最少。
首先建立一个以O 为原点的直角坐标系，对问题一和问题二利用可视图中的几何逼近法设计机器人的行走路线，建立方程组，并利用matlab 软件求出最优路径。
问题一，考虑机器人从O(0, 0)出发到达一个固定点的最短路径。
利用可视图中的几何逼近法分析得出最短路径转弯处圆弧的半径为10个单位，通过比较建立各路径长度的函数关系式，利用matlab 求解得知O→A 的最短路径长度约为471个单位，行走线路如图二；O→B 的最短路径长度约为853个单位，行走线路如图四；O→C 的最短路径长度约为1093个单位，行走线路如图六；O→A→B→C→O 的最短路径长度约为2714个单位，行走线路如图七。
问题二，考虑机器人从O (0, 0)出发，到达A 的最短时间路径。
通过对平面可视图的分析可知从O (0, 0)出发到达A 点只经过一段圆弧时时间最省，且所有的圆弧所在圆的圆心在同一直线上并且内切于某一点。
圆弧所在圆的半径大小决定机器人从O→A所需要的时间，由此求出圆的内切点，建立圆弧所在圆的半径，圆心坐标和最短路径所需时间的函数关系，利用matlab 求带约束的非线性方程的最小值求得，最短时间路径中机器人从O 点出发通过第一段直线所需的时间1t =41.4463秒，通过圆弧所需的时间2t =8.5576秒，通过第二段直线到达A 点所需的时间3t =44.2570秒，所求最短时间路径所需总时间为94.2509秒。
此时，圆弧的半径为46个单位，圆心坐标为（106.2,183.8），路经如图九所示。
关键词： 几何逼近法 matlab 最短路径 最短时间路径一、问题重述在一个800×800的平面场景图中，有12个形状各异的障碍物。
原点（0，0）点处有一个机器人通过行走且需躲开障碍物到达指定目标点。
机器人避障问题论文
D题机器人避障问题摘要本文综合运用分析法、图论方法、非线性规划方法，讨论了机器人避障最短路径和最短时间路径求解问题。
针对问题一，首先，通过分析，建立了靠近障碍物顶点处转弯得到的路径最短、转弯时圆弧的半径最小时和转弯圆弧的圆心为障碍物的顶点时路径最短、转弯在中间目标点附近时，中间目标点位于弧段中点有最短路径的三个原理，基于三个原理，其次对模型进行变换，对障碍物进行加工，扩充为符合条件的新的区域并在转弯处圆角化构成障碍图，并通过扩充的跨立实验，得到切线和圆弧是否在可避障区的算法，第三，计算起点、中间目标点和最终目标点和各圆弧及圆弧之间的所有可避障切线和圆弧路径，最后给这些定点赋一个等于切线长度或弧度的权值构成一个网络图，然后利用Dijkstra算法求出了O-A、O-B，O-C的最短路径为O-A：471.0372个单位，O-B：853.7001个单位，O-C：1086.0677个单位；对于需要经中间目标点的路径，可运用启发规则分别以相邻的目标点作为起点和终点计算，确定路径的大致情况，在进一步调整可得到O-A-B-C-O的最短路径为2748.699个单位。
针对问题二，主要研究的是由出发点到达目标点A点的最短时间路径，我们在第一问的基础上考虑路径尽可能短且圆弧转弯时的圆弧尽量靠近障碍物的顶点，即确定了圆弧半径最小时的圆弧内切于要确定的圆弧时存在最小时间路径，建立以总时间最短为目标函数，采用非线性规划模型通过Matlab编程求解出最短时间路径为最短时间路程为472.4822个单位，其中圆弧的圆心坐标为(81.430,209.41)，最短时间为94.3332秒。
圆弧两切点的坐标分别为（70.88,212.92）、（77.66,219.87）。
关键字：Dijkstra算法跨立实验分析法非线性规划模型一.问题的重述图是一个800×800的平面场景图，在原点O(0, 0)点处有一个机器人，它只能在该平面场景范围内活动。
2012高教社杯全国大学生数学建模竞赛题目
A题葡萄酒的评价确定葡萄酒质量时一般是通过聘请一批有资质的评酒员进行品评。
每个评酒员在对葡萄酒进行品尝后对其分类指标打分，然后求和得到其总分，从而确定葡萄酒的质量。
酿酒葡萄的好坏与所酿葡萄酒的质量有直接的关系，葡萄酒和酿酒葡萄检测的理化指标会在一定程度上反映葡萄酒和葡萄的质量。
附件1给出了某一年份一些葡萄酒的评价结果，附件2和附件3分别给出了该年份这些葡萄酒的和酿酒葡萄的成分数据。
请尝试建立数学模型讨论下列问题：1. 分析附件1中两组评酒员的评价结果有无显著性差异，哪一组结果更可信？2. 根据酿酒葡萄的理化指标和葡萄酒的质量对这些酿酒葡萄进行分级。
3. 分析酿酒葡萄与葡萄酒的理化指标之间的联系。
4．分析酿酒葡萄和葡萄酒的理化指标对葡萄酒质量的影响，并论证能否用葡萄和葡萄酒的理化指标来评价葡萄酒的质量？附件1：葡萄酒品尝评分表（含4个表格）附件2：葡萄和葡萄酒的理化指标（含2个表格）附件3：葡萄和葡萄酒的芳香物质（含4个表格）B题太阳能小屋的设计在设计太阳能小屋时，需在建筑物外表面（屋顶及外墙）铺设光伏电池，光伏电池组件所产生的直流电需要经过逆变器转换成220V交流电才能供家庭使用，并将剩余电量输入电网。
不同种类的光伏电池每峰瓦的价格差别很大，且每峰瓦的实际发电效率或发电量还受诸多因素的影响，如太阳辐射强度、光线入射角、环境、建筑物所处的地理纬度、地区的气候与气象条件、安装部位及方式（贴附或架空）等。
因此，在太阳能小屋的设计中，研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设是很重要的问题。
附件1-7提供了相关信息。
请参考附件提供的数据，对下列三个问题，分别给出小屋外表面光伏电池的铺设方案，使小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大，而单位发电量的费用尽可能小，并计算出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量、经济效益（当前民用电价按0.5元/kWh计算）及投资的回收年限。
在求解每个问题时，都要求配有图示，给出小屋各外表面电池组件铺设分组阵列图形及组件连接方式（串、并联）示意图，也要给出电池组件分组阵列容量及选配逆变器规格列表。
2012高教社杯数模竞赛D题——机器人避障问题
机器人避障问题摘要本文研究了在已知区域障碍物分布的情况下，机器人从起点到目标点避障最短路径或最短时间路径的问题，路径必须是由圆弧和与之相切的直线段组成的线圆结构。
一开始先对模型预处理，将所有障碍物外扩10个单位长度，划定危险区域，得到障碍扩展图。
针对问题一，经过分析论证，无论起点到目标点间危险区域有多少，最短路径都应该是紧绕危险点的切线圆路径，且可根据需依次绕过的危险点情况划分为N条子路径（见图5.1.2）求解，圆弧段取允许最小转弯半径。
模型求解分两步走：一、将实际障碍图转化为加权可视图，利用Dijstra算法搜索出在可视图下的最短路径，主要是找到必须绕过的若干危险点。
二、根据障碍扩展图将可视图中的路径修正为实际情况下的切线圆路径，求出最终结果。
在求解过程中运用MATLAB数学软件给出路径中每段直线段或圆弧的起点和终点坐标、圆弧的圆心连接两条切线，使机器人总的行走时间最短。
而圆弧可以有圆心坐标和半径唯一确定。
由此构建机器人行走总时间的目标函数，将机器人不与障碍物碰撞作为约束条件，将该问题转变为一个非线性规划问题，借助matlab求得最优解为:T=94.3314s。
关键词：路径规划最优化模型切线圆路径 Dijstra算法非线性规划matlab求解一、问题重述图1是一个800×800的平面场景图，在原点O(0,0)点处有一个机器人，它只能在该平面场景范围内活动。
图中有12个不同形状的区域是机器人不能与之发生碰标点与障碍物的距离至少超过10个单位）。
规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径。
机器人不能折线转弯，转弯路径由与直线路径相切的一段圆弧组成，也可以由两个或多个相切的圆弧路径组成，但每个圆弧的半径最小为10个单位。
为了不与障碍物发生碰撞，同时要求机器人行走线路与障碍物间的最近距离为10个单位，否则将发生碰撞，若碰撞发生，则机器人无法完成行走。
机器人直线行走的最大速度为50=v 个单位/秒。
2012D数学建模D题
机器人避障问题摘要我们了解到我们需要解决的是机器人从O→A、O→B、O→C和O→A→B→C→O的最短路径以及O→A的最短时间问题，但与传统的问题相比因为有了障碍物的制约使得部分区域无法通过，而且物体的运动轨迹也会对其速度造成制约，联系现实生活我们知道对于无法以最短直线路径通过时如果两点间有一根足够长的绳子，在绕开障碍物及其所影响的范围后绳子绷紧状态下所形成的轨迹即为最短路径，在最短的路径和最快的速度间找制约点可获得最短时间，该题时间制约因素为。
受此启发，在分析问题后我们建立了数学模型来合理解决如何使机器人避障的优化问题。
针对问题一；问题一中O→A可简化为两点避开单个障碍物的问题、O→B、O→C为两点避开多个障碍物的问题、对于O→A→B→C→O是一个回路的多点避开多个障碍物的问题，运用几何的求解方式证明。
针对问题二；问题二是时间最优的问题，我假设存在个半径为最优时间半径，然后我们找到个最优圆弧圆心的位置，圆心在两点连线为X轴的最高障碍点作X轴的该条垂线上。
关键词最短路径最优化模型几何求解最短时间一、问题重述1.1、基本情况:在给定的平面场景中，要求机器人绕开障碍物到达指定的目标点（要求目标点与障碍物的距离至少超过10个单位）。
规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径。
机器人不能折线转弯，转弯路径由与直线路径相切的一段圆弧组成，也可以由两个或多个相切的圆弧路径组成，但每个圆弧的半径最小为10个单位。
为了不与障碍物发生碰撞，同时要求机器人行走线路与障碍物间的最近距离为10个单位，否则将发生碰撞，若碰撞发生，则机器人无法完成行走。
1.2、相关信息：(1) 机器人直线行走的最大速度为50=v 个单位/秒。
(2) 机器人转弯时，最大转弯速度为21.0100e1)(ρρ-+==v v v ，其中ρ是转弯半径。
如果超过该速度，机器人将发生侧翻，无法完成行走。
1.3、需要解决的问题：(1) 机器人从O(0, 0)出发，O→A 、O→B 、O→C 和O→A→B→C→O 的最短路径。
机器人避障问题的研究论文
机器人避障问题摘要本文主要研究两个方面的问题，问题一提出在一个固定的区域内有不同形状的障碍物12个，让机器人至少与障碍物保持10个单位的距离情况下，同时机器人还不能走折线，求最短路程问题，这个问题我们首先考虑了两个理论，在起点和终点之间有一障碍物，我们在障碍物的顶点做一个圆弧作为机器人的转弯路径，那么通过证明可知最短路径为起点到终点拉一绳子，当绳子处于最紧绷状态的路径。
这时路径即为起点,终点分别到圆弧的两段切线与中间弧度之和。
其次考虑所做圆弧的半径为最小转弯半径时这时所形成的路径最短。
结合以上理论，易得到最短路径分别为：A O → 471.05，B O →811.54，C O →1017.25，→O O C B A →→→2534.86。
问题二中,题目要求从A O →的最短时间路径，由于机器人走直线的速度为5=v ，而走转弯路径的速度是与转弯半径的长度有关，根据这些要求，我们过障碍物的右下顶点往左上顶点做对角线，并向左上顶点做10单位的距离，那么我们就在这条线上取一点作为圆弧的中心，然后构造一个目标函数求出最短时间路径，5)10(15)10(lim 22)10(1.010222R b er R a t R +-++++-=+-θ，得到02.96min =T 。
关键词：最短路径 线圆结构 解析几何 最短时间一、问题重述在800800⨯的平面场景图中，在原点O 有一机器人，它只能在平面场景中活 动，且不能碰撞场景图中不同形状的障碍物，且机器人所行走的路径与障碍物的距离至少超过10单位。
规定机器人的行走路径由直线和圆弧组成，其中圆弧是机器人的转弯路径。
机器人不能折线转弯，转弯路径由与直线路径相切的一段圆弧组成，也可以由多个相切的圆弧路径组成，但每个圆弧的最小半径为10个单位。
为了能到达目的地，机器人的行走路径与障碍物的最近距离为10个单位，否则发生碰撞则不能完成行走。
机器人直线行走的最大速度为秒。
个单位/50=V 机器人转弯时，最大转弯路径为21.01001)(ρρ-+==V V V ,其中。
2012_数学建模D题(国家二等奖论文)_高教杯关于机器人避障行走问题的研究
关于机器人避障行走问题的研究摘要本课题主要研究机器人避障行走问题，机器人行走过程，需躲避障碍物区域且保证所经路径按直线段和圆弧进行行走。
依据题目要求最短路径和最短时间路径目标，运用穷举法，先绘制出可能是最短路径的行走路线。
然后，利用平面解析几何知识，求解各路线长度并进行比较，找出最短路径。
最后，引入机器人速度数据，建立数学模型，求解出最短时间路径。
问题一、根据题目限定的机器人和障碍物之间10个单位的距离要求，先绘制出机器人能够行走的活动区域。
然后，利用平面几何知识，列出线段与圆弧结构下的行走路程关于圆弧半径的函数关系式。
运用求导法则对所列函数关系式进行求导，得出结论：只有当圆弧半径最小时（最小半径为10），才能使线弧结构的路程达到最小。
依据所得结论，运用穷举法列出从原点出发到各个目标点的所有可能最短路径。
分别进行求解并互相比较，最终得出机器人行走到不同目标点的最短路径为：O→A：471.0372；O→B：853.702132；O→C：1053.140；O→A→B→C→O：2707.4379。
（注：路径中每段直线段或圆弧的起点和终点坐标、圆弧的圆心坐标，可通过将坐标点设定成未知量，列函数方程组编写LINGO程序进行求解得出。
起点、终点及圆弧圆心的具体坐标，见各路径模型求解部分所列坐标表格。
）问题二、路线制定过程中，引入机器人直线速度和转弯速度数据。
以行走到目标点A花费时间最短为目标建立优化模型。
根据模型，编写LINGO程序，求解出最短时间路径下，机器人过点A的圆弧圆心为（82.04274,210），圆弧半径为10.97436，花费的最短时间为94.34632。
关键词：穷举法求导法则平面几何优化模型最短时间路径1问题重述1.1问题背景进入科技时代以来，随着信息技术的不断发展，机器人自动化研究越来越成为人们关注的重点，机器人避障行走问题也成为机器人程序设定的一个常见问题。
而路线制定过程中，行走线路制定方法的研究和精确坐标数据的计算是必不可少的，且对今后机器人行进程序的设定具有很好的参考价值。
2012高教社杯全国大学生数学建模竞赛题目
A题葡萄酒的评价确定葡萄酒质量时一般是通过聘请一批有资质的评酒员进行品评。
每个评酒员在对葡萄酒进行品尝后对其分类指标打分，然后求和得到其总分，从而确定葡萄酒的质量。
酿酒葡萄的好坏与所酿葡萄酒的质量有直接的关系，葡萄酒和酿酒葡萄检测的理化指标会在一定程度上反映葡萄酒和葡萄的质量。
附件1给出了某一年份一些葡萄酒的评价结果，附件2和附件3分别给出了该年份这些葡萄酒的和酿酒葡萄的成分数据。
请尝试建立数学模型讨论下列问题：1. 分析附件1中两组评酒员的评价结果有无显著性差异，哪一组结果更可信？2. 根据酿酒葡萄的理化指标和葡萄酒的质量对这些酿酒葡萄进行分级。
3. 分析酿酒葡萄与葡萄酒的理化指标之间的联系。
4．分析酿酒葡萄和葡萄酒的理化指标对葡萄酒质量的影响，并论证能否用葡萄和葡萄酒的理化指标来评价葡萄酒的质量？附件1：葡萄酒品尝评分表（含4个表格）附件2：葡萄和葡萄酒的理化指标（含2个表格）附件3：葡萄和葡萄酒的芳香物质（含4个表格）B题太阳能小屋的设计在设计太阳能小屋时，需在建筑物外表面（屋顶及外墙）铺设光伏电池，光伏电池组件所产生的直流电需要经过逆变器转换成220V交流电才能供家庭使用，并将剩余电量输入电网。
不同种类的光伏电池每峰瓦的价格差别很大，且每峰瓦的实际发电效率或发电量还受诸多因素的影响，如太阳辐射强度、光线入射角、环境、建筑物所处的地理纬度、地区的气候与气象条件、安装部位及方式（贴附或架空）等。
因此，在太阳能小屋的设计中，研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设是很重要的问题。
附件1-7提供了相关信息。
请参考附件提供的数据，对下列三个问题，分别给出小屋外表面光伏电池的铺设方案，使小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大，而单位发电量的费用尽可能小，并计算出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量、经济效益（当前民用电价按0.5元/kWh计算）及投资的回收年限。
在求解每个问题时，都要求配有图示，给出小屋各外表面电池组件铺设分组阵列图形及组件连接方式（串、并联）示意图，也要给出电池组件分组阵列容量及选配逆变器规格列表。
机器人避障问题的解题分析建模集训资料全
机器人避障问题的解题分析摘要：本文对2012年全国大学生数学建模竞赛D题机器人避障问题进行了全面分析，对最短路的设计进行了理论分析和证明，建立了机器人避障最短路径的几何模型，对最短时间路径问题通过建立非线性规划模型，有效地解决了转弯半径、圆弧圆心位置和行走时间等问题。
关键词：机器人避障；最短路径；Dijkstra算法；几何模型；非线性规划模型1 引言随着科学技术的进步和计算机技术的发展，机器人的应用越来越广泛，在机器人的应用中如何使机器人在其工作围为完成一项特定的任务寻找一条安全高效的行走路径，是人工智能领域的一个重要问题。
本文主要针对在一个场景中的各种静态障碍物，研究机器人绕过障碍物到达指定目的地的最短路径问题和最短时间问题。
本文以2012年“高教社”杯全国大学生数学建模竞赛D题“机器人避障问题”为例进行研究。
假设机器人的工作围为800×800的平面正方形区域（如图1），其中有12个不同形状的静态障碍物，障碍物的数学描述（如表1）：图1 800×800平面场景图表1在原点O(0, 0)点处有一个机器人，它只能在该平面场景围活动，机器人不能与障碍物发生碰撞，障碍物外指定一点为机器人要到达的目标点。
规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径。
机器人不能折线转弯，转弯路径由与直线路径相切的一段圆弧组成，也可以由两个或多个相切的圆弧路径组成，但每个圆弧的半径最小为10个单位。
为了不与障碍物发生碰撞，同时要求机器人行走线路与障碍物间的最近距离为10个单位，否则将发生碰撞，若碰撞发生，则机器人无法完成行走。
机器人直线行走的最大速度为50=v 个单位/秒。
机器人转弯时，最大转弯速度为21.0100e1)(ρρ-+==v v v （ρ是转弯半径）。
如果超过该速度，机器人将发生侧翻，无法完成行走。
场景图中有4个目标点O(0, 0)，A(300, 300)，B(100, 700)，C(700, 640)，下面我们将研究机器人从O(0, 0)出发，求O→A、O→B、O→C和O→A→B→C→O的最短路径，以及机器人从O(0, 0)出发，到达A 的最短时间路径问题。
2012年数学建模C题,机器人避障
机器人障碍问题摘要本文研究了有若干障碍物的平面场景中，机器人避障行走的最短路径以及最短时间路径的问题。
针对问题一，首先给出简单证明了两个对称点绕过圆形障碍物的最短路径为两条与圆形障碍物相切的直线，加上两切点间的劣弧。
然后分了四种情况，分别给出了不同直线与圆相切时，根据各已知点坐标，求相应切点、直行路径及劣弧长度的方法。
然后在满足机器人从定点(0,0)O出发绕过障碍物，距离障碍物至少超过10个单位，不能折线转弯绕过障碍物的条件下，以前面的证明为依据，将机器人行走路径设计为由直线和圆弧组成。
针对不同的起点和终点，将总路径分解为上述四种情况，利用MATLAB6.5.1，分别求出相应的切点及各转弯圆的劣弧长，最后比较得到相对较短的行走路径。
并根据机器人在不同路径上的速度的不同，求出避障前进的最短路径时所需要的行走时间。
具体如下：→的最短路径为471.0375个单位，所需的时间为96.0177秒O A→的最短路径为812.7029个单位，所需的时间为170.5132秒O B→的最短路径为：1090.8个单位，所需的时间为222.9373秒O C→→→→的最短路径为：3137.8个单位，所需的时间为652秒。
O A B C O针对问题二，要求求出机器人从(0,0)O出发，到达A的最短时间路径。
因为机器人行走路径为直线时的速度为定值，弧线行走的速度与弧所在的圆半径有关，由此得到行走时间与圆弧半径ρ的关系式，利用高等数学的极值定理条件，估算出ρ=11.5052个单位时从O A→所需时间最短，为95.1328秒。
该模型简单、便于理解，理论性较强。
另外图形的使用，使问题更加清晰。
该模型还可用于求解设计最优路线问题。
关键词最短路径圆弧半径最短时间切点一 问题重述在一个800×800的平面场景图，在原点O(0, 0)点处有一个机器人，它只能在该平面场景范围内活动。
平面场景中有12个不同形状的区域是机器人不能与之发生碰撞的障碍物。
2012年高教社杯数学建模D题--机器人避障问题论文设计
机器人避障问题摘要本文研究了机器人避障最短路径和最短时间路径的问题。
主要研究了在一个区域中存在12个不同形状障碍物，由出发点到达目标点以及由出发点经过途中的若干目标点到达最终目标点的多种情形，寻找出一条恰当的从给出发点到目标点的运动路径使机器人在运动中能安全、无碰撞的绕过障碍物而使用的路径和时间最短。
由于规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径，机器人不能折线转弯。
所以只要给定的出发点到目标点存在至少一个障碍物，我们都可以认为最短路径一定是由线和圆弧所组成，因此我们建立了切线圆结构，这样无论路径多么复杂，我们都可以将路径划分为若干个这种切线圆结构来求解。
在没有危险碰撞的情况下，圆弧的半径越小，路径应该越短，因此我们尽量选择最小的圆弧半径以达到最优。
对于途中经过节点的再到达目标点的状况，我们采用了两种方案，一种是在拐点和节点都采用最小转弯半径的形式，另一种是适当扩大拐点处的转弯半径，使得机器人能够沿直线通过途中的目标点。
然后建立了最优化模型对两种方案分别进行求解，把可能路径的最短路径采用穷举法列举出来，用lingo 工具箱求解得出了机器人从O(0, 0)出发，O →A 、O →B 、O →C 和O →A →B →C →O 的最短路径；利用matlab 中的fminbnd 函数求极值的方法求出了机器人从O (0, 0)出发，到达A 的最短时间路径。
本文提出一种最短切线圆路径的规划方法，其涉及的理论并不高深，只是应用了几何知识和计算机程序、数学工具计算，计算简易，便于实现，能搞提高运行效率。
问题一O →A 最短路径为：OA L =471.0372 O →B 最短路径为：=1OB L 853.8014 O →C 最短路径为：4OC L =1054.0O →A →B →C →O 最短路径为：问题二机器人从O (0, 0)出发，到达A 的最短时间路径：最短时间是94.5649，圆弧的半径是11.5035,路径长4078.472=OA L关键词 最短路径；避障路径；最优化模型；解析几何；数学工具一 、问题重述图1是一个800×800的平面场景图，在原点O(0, 0)点处有一个机器人，它只能在该平面场景范围内活动。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
机器人避障问题摘要本文研究了机器人避障最短路径和最短时间路径的问题。
主要研究了在一个区域中存在12个不同形状障碍物，由出发点到达目标点以及由出发点经过途中的若干目标点到达最终目标点的多种情形，寻找出一条恰当的从给出发点到目标点的运动路径使机器人在运动中能安全、无碰撞的绕过障碍物而使用的路径和时间最短。
由于规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径，机器人不能折线转弯。
所以只要给定的出发点到目标点存在至少一个障碍物，我们都可以认为最短路径一定是由线和圆弧所组成，因此我们建立了切线圆结构，这样无论路径多么复杂，我们都可以将路径划分为若干个这种切线圆结构来求解。
在没有危险碰撞的情况下，圆弧的半径越小，路径应该越短，因此我们尽量选择最小的圆弧半径以达到最优。
对于途中经过节点的再到达目标点的状况，我们采用了两种方案，一种是在拐点和节点都采用最小转弯半径的形式，另一种是适当扩大拐点处的转弯半径，使得机器人能够沿直线通过途中的目标点。
然后建立了最优化模型对两种方案分别进行求解，把可能路径的最短路径采用穷举法列举出来，用lingo 工具箱求解得出了机器人从O(0, 0)出发，O →A 、O →B 、O →C 和O →A →B →C →O 的最短路径；利用matlab 中的fminbnd 函数求极值的方法求出了机器人从O (0, 0)出发，到达A 的最短时间路径。
本文提出一种最短切线圆路径的规划方法，其涉及的理论并不高深，只是应用了几何知识和计算机程序、数学工具计算，计算简易，便于实现，能搞提高运行效率。
问题一O →A 最短路径为：OA L =471.0372 O →B 最短路径为：=1OB L 853.8014 O →C 最短路径为：4OC L =1054.0O →A →B →C →O 最短路径为：问题二机器人从O (0, 0)出发，到达A 的最短时间路径：最短时间是94.5649，圆弧的半径是11.5035,路径长4078.472=OA L关键词 最短路径；避障路径；最优化模型；解析几何；数学工具一 、问题重述图1是一个800×800的平面场景图，在原点O(0, 0)点处有一个机器人，它只能在该平面场景范围内活动。
图中有12个不同形状的区域是机器人不能与之发生碰撞的障碍障碍物的距离至少超过10个单位）。
规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径。
机器人不能折线转弯，转弯路径由与直线路径相切的一段圆弧组成，也可以由两个或多个相切的圆弧路径组成，但每个圆弧的半径最小为10个单位。
为了不与障碍物发生碰撞，同时要求机器人行走线路与障碍物间的最近距离为10个单位，否则将发生碰撞，若碰撞发生，则机器人无法完成行走。
机器人直线行走的最大速度为50=v 个单位/秒。
机器人转弯时，最大转弯速度为21.0100e1)(ρρ-+==v v v ，其中ρ是转弯半径。
如果超过该速度，机器人将发生侧 翻，无法完成行走。
请建立机器人从区域中一点到达另一点的避障最短路径和最短时间路径的数学模型。
对场景图中4个点O(0, 0)，A(300, 300)，B(100, 700)，C(700, 640)，具体计算：(1) 机器人从O(0, 0)出发，O →A 、O →B 、O →C 和O →A →B →C →O 的最短路径。
(2) 机器人从O (0, 0)出发，到达A 的最短时间路径。
注：要给出路径中每段直线段或圆弧的起点和终点坐标、圆弧的圆心坐标以及机器人行走的总距离和总时间。
图1 800×800平面场景图二、问题分析1、要求求定点O(0, 0)按照一定的行走规则绕过障碍物到达目标点的最短路径，我们先可以包络线画出机器人行走的危险区域，在没有危险碰撞的情况下，圆弧的半径越小，路径应该越短。
这样的话，拐角处就是一个以方形或三角形障碍物的顶点为圆心半径为10个单位的圆弧，如果是圆形障碍物就应该是以障碍物的圆心为圆心、障碍物的半径长加上10为半径的圆弧。
2、若经过中间的若干点按照一定的规则绕过障碍物到达目标点，这使我们考虑就不仅仅是经过障碍物拐点的问题，也应该考虑经过路径中的目标点处转弯的问题，这时简单的线圆结构就不能解决这种问题，我们在拐点及途中目标点处都采用最小转弯半径的形式，也可以适当的变换拐点处的拐弯半径，使机器人能够沿直线通过途中的目标点，然后建立优化模型对这两种方案分别进行优化，最终求得最短路径。
3、这样机器人行走的路径就是由切线段、内公切线、外公切线以及圆弧组成的这里称之为切线圆路径。
三、 模型假设1、假设障碍物只包含长方形、正方形、三角形、圆形。
2、假设机器人能够抽象成点来处理。
3、路径不考虑走平面场地的边界。
五、符号说明在计算机程序输入的原始数据中:(T,V,W,r)表示T 是起点坐标,V 是圆弧的圆心坐标,W 是目标节点坐标,r 是圆弧半径.为便于叙述和计算，根据已知条件我们给12个障碍物中的11个方形和三角形顶点用字母ij T 或ij S 表示，其中T 或S 表示障碍物，ij T 中i 表示第i 号障碍物，ij S 中i 表示第9+i 号障碍物，j 表示从左下角开始按顺时针数起第几个顶点。
如下表一所示：表一点字母表示（如：6162747381O T T T T T B →→→→→→表示从点O 经过6号三角形左顶角为圆心的圆弧到6号三角形上顶角为圆心的圆弧到7号方形右下角为圆心的圆弧到7号方形右上角为圆心的圆弧到8号菱形左下角为圆心的圆弧到达点B 。
标出的经过顶点六、模型的建立与求解由于规定机器人的行走路径由直线段和圆弧组成，其中圆弧是机器人转弯路径，机器人不能折线转弯。
据此可以这样认为，起点到目标点无论中间障碍物有多少，最短路径都应该是若干个切线圆结构所组成。
易知，求两点之间的最短路径中的转弯半径越小路径就越短，我们应该按照最小的转弯半径来算才能达到最优。
根据要求机器人行走线路与障碍物间的最近距离为10个单位，因此在方形及三角形顶点转弯的地方圆弧半径10r≥，我们尽量取以顶点为圆心半径为r=10个单位的圆弧，如果是圆形障碍物就应该是以障碍物的圆心为圆心、障碍物的半径长加上10为半径的圆弧，只有在必要的时候对半径作适当的加大调整。
6.1 模型I求从起点O(0, 0)到目标点A(300, 300)的最短路径。
经过观察很显然从O到A有两条选择的路径（其它路径需要经过过多的障碍物路径显然比较长不必考虑）如图6.11所示，一条是从5号障碍物的左上角走OPQA，一条是从右下角走OHJA。
他们的路径结构图是类似的如图6.12所示。
6506005505004504003503002502001501005050100200300400500600700800 TO PQJH图6.11图6.12设),11y x O （为起点，),(22y x A 为目标点，33(,)P x y 和 44(,)Q x y 分别为机器人经过拐点分别于隔离危险线拐角小圆弧的切点，圆心为55(,)T x y ,圆的半径为r ，OA 的长度为a ，OT 的长度为b ，AT 的长度为c ，角度O T A ∠=,,,,OTA OTP ATQ PTQ αβγθ∠=∠=∠=∠=.求OPQA 的长度，设为L .解法如下：如上图可得有以下关系：a b c ⎧=⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩OTA ∆在中：OA =在Rt OTP ∆：222arccos()2b c a bcα+-==arccos r bβ在Rt OTP ∆中：arccos r cγ=所以：2θπαβγ=---从而可得路径长：L r θ= （1.1）即模型I为：min L r θ=， 222arccos(),22b c a bcαθπαβγ+-==---arccos r c γ= =arccosr b β，a b c ⎧=⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩由已知条件知(00),(300300),(80,210)O A T ，，即 ,01=x ,01=y .10210,80,300,3005522=====r y x y x ，，利用计算机计算lingo 算法(T 是起点坐标V 是圆弧圆心坐标W 是过程目标点坐标r 圆弧是半径)：function result=zongchang(T,V,W,r) TV=sqrt((T(1)-V(1))^2+(T(2)-V(2))^2); TW=sqrt((T(1)-W(1))^2+(T(2)-W(2))^2); VW=sqrt((V(1)-W(1))^2+(V(2)-W(2))^2); alpha1=acos((TV^2+VW^2-TW^2)/(2*TV*VW)); alpha2=acos(r/TV); alpha3=acos(r/VW);alpha4=2*pi-alpha1-alpha2-alpha3; TS1=sqrt(TV^2-r^2);S2W=sqrt(VW^2-r^2); S1S2hu=r*alpha4;result=TS1+S1S2hu+S2W;结果算得52O T A OPQA →→即的长度OA L =471.0372又由22222515131312225353()()10()()()()x x y y x x y y x x y y r ⎧-+--=-+-⎨-+-=⎩ （1） 和22222525254532225454(-)()10()()()()x x y y x x y y x x y y r ⎧+--=-+-⎨-+-=⎩ （2） 计算得点52T 为圆心的圆弧两切点的坐标为5252(70.506,213.1406),(76.6064,219.4066)P Q 。
同样，通过计算可得从路径从右下角方向（圆心T 的坐标改为5号障碍物右下角顶点坐标54T （230,60））走时OHJA 长度OAL '=498.4259. 很显然机器人从5号障碍物左上角52T 走的路径OPQA 小于机器人5号障碍物右下角54T 走的路径OHJA 要短。
因此从起点O(0, 0)到目标点A(300, 300)的最短路径是OPQA ，长度OA L =471.0372，圆弧PQ 的切点坐标为(70.506,213.1406),(76.6064,219.4066)P Q 。
同时可以验证6号三角形障碍物右下角顶点到切线AQ 距离大于10，所以过52T 的OPQA 路径是安全的也是最短的。
下面考虑问题二：从O 到A 的最短时间路径 由式（1.1）可求得时间路径的目标函数为：2100.15min 551r t r eθ-=+÷+，1080≥≥t利用matlab 中的fminbnd 函数求极值f1='(x*(2*pi-2.3231-acos(x/224.7221)-acos(x/237.6973))/(5/(1+exp(10-0.1*x^2))))+ sqrt(224.7221^2-x^2)/5+ sqrt(237.6973^2-x^2)/5'; [x_min,f_min,flag]=fminbnd(f1,10,50) 得结果：x_min =11.5035，f_min =94.5649，flag=1即最短时间是94.5649，52T 圆弧的半径是11.5035。