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1、第第6 6 章章 机器人路径规划机器人路径规划路径规划:路径规划:一定的作业要求;一定的评定标准;一定的作业要求;一定的评定标准;寻找一条从起始状态到目标状态的无碰撞路径。寻找一条从起始状态到目标状态的无碰撞路径。126.1 6.1 关节空间路径规划关节空间路径规划直角坐标空间到关节坐标空间的转换直角坐标空间到关节坐标空间的转换起始点起始点途经点途经点起始点起始点途经点途经点终点终点为每一个关节设计一条光滑的运动曲线(运动时间相等)为每一个关节设计一条光滑的运动曲线(运动时间相等)6.1 .1 6.1 .1 三次多项式路径规划三次多项式路径规划2 2个位置约束条件个位置约束条件4 00, =f

2、ft2 2个速度约束条件个速度约束条件 00, =0ft满足满足2 2个位置约束条件,且光滑(连续)的轨迹个位置约束条件,且光滑(连续)的轨迹曲线有多种。曲线有多种。满足以上满足以上4 4个约束条件的至少是个约束条件的至少是3 3次多项式次多项式 230123taa ta ta t 2123232326taatattaat5 00, =fft 00, =0ft 230123taa ta ta t 212323taa ta t00230123121230023ffffffaaa ta ta taaa ta t001220303032ffffaaatat 002312231000101000012

3、30ffffffatttaatta100231223100010100001230ffffffatttaattaExp:6-1Exp:6-16 00015 , =75 , 00, =0, 3fffttts6.1 .2 6.1 .2 含途经点的三次多项式路径规划含途经点的三次多项式路径规划7 00, =fft 00, =fft在每一个途经点不停歇(速度不为在每一个途经点不停歇(速度不为0 0)起始点起始点途经点途经点终点终点0023012301212323fffffffaaa ta ta taaa ta t001020203003232121fffffffffaaatttatt 8途经点速度的确

4、定途经点速度的确定1 1)由直角坐标速度通过雅可比矩阵变换成为关节速度)由直角坐标速度通过雅可比矩阵变换成为关节速度1 PJ qqJP2 2)采用近似方法获取)采用近似方法获取00, 0, 0, 0 ABD2CCC选取左右两端的斜率的平均值选取左右两端的斜率的平均值93 3)保证经过途经点的速度和加速度连续)保证经过途经点的速度和加速度连续BEXPEXP:以:以 Fig 6.3 Fig 6.3 中中BDBD为例为例 起始点起始点C中间点中间点D终点终点设计两个三次多项式路径。设计两个三次多项式路径。10ftt路径路径1 1时间经历:时间经历:20ftt路径路径2 2时间经历:时间经历: 123

5、2231011121320212223 taa ta ta ttaa ta ta t位置约束:位置约束:102310111121131202320212222232 BCfffCDfffaaa ta ta taaa ta ta t10速度约束:速度约束: 11122221222232122111121131210000023023ffffffataa ta ttaa ta ta加速度约束:加速度约束: 121121131220262fffta ta ta约束条件确定了约束条件确定了8 8个线性方程,可以解得两个三次多项式中的所有个线性方程,可以解得两个三次多项式中的所有待定参数!待定参数!6.

6、1 .3 6.1 .3 直线直线+ +抛物线路径规划抛物线路径规划11 tabt但端点速度不为但端点速度不为0 0(危害?)(危害?)起始点和终点之间直线最短路径的优化方案。起始点和终点之间直线最短路径的优化方案。设计直线设计直线+ +抛物线的混合路径规划抛物线的混合路径规划带有抛物线过渡域的线性轨迹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为简化设计,假定首末两端抛物线的时间长度相等。的时间长度相等。路径相对于时间中点和位置中点是对路径相对于时间中点和位置中点是对称的。称的。,hht12 2001 2btttta t 抛物线段的方程:抛物线段的方程:抛物线的速度方程:抛物线的速

7、度方程: 0 bttttta 在抛物线的末端在抛物线的末端的速度:的速度: bbtat抛物线末端速度抛物线末端速度= =直线段(恒速)的速直线段(恒速)的速度度 hbbbbhbttttatlet 2htt所要求的运动持续时间所要求的运动持续时间20bbhbtt t 13在给定起始角、终止角和运行时间,以及加速度:在给定起始角、终止角和运行时间,以及加速度:2 20422fbttt 确定抛物线与直线段的转折时间确定抛物线与直线段的转折时间24hbt抛物线段加速度的约束条件:抛物线段加速度的约束条件:24when 2hbbttt直线段长度直线段长度=0=0,路径由两端抛,路径由两端抛物线组成。物线

8、组成。加速度增加,抛物线长度下降,极限情况抛物线长度加速度增加,抛物线长度下降,极限情况抛物线长度=0.=0.6.1 .4 6.1 .4 含途经点的直线含途经点的直线+ +抛物线路径规划抛物线路径规划14三个相邻的途经点三个相邻的途经点 j,k,lj,k,l相邻途经点之间以线性函数相连;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。而途经点附近以抛物线过渡。Straight line segment, ,jkjktjkdFull section, jkjkt: Acceleration of parabola section at point j : Acceleration of

9、parabola section at point k jk15三个相邻的途经点三个相邻的途经点 j,k,lj,k,ldkjjkjktkkljkksgnkljkkkt1122jkdjkjktttt起始段,抛物线末端速度等于直线段速度起始段,抛物线末端速度等于直线段速度211211d12112ttt2121121212ddttt1211sgn12121212dtttt16结束段,与起始段成对应关系。结束段,与起始段成对应关系。0000123412233410 35 25 10213dddtststs起始段:起始段:02150s21211212122 35 10240.2750ddttts起始段起

10、始段加速段时间:加速段时间:静止到加速到匀速的时间静止到加速到匀速的时间170000123412233410 35 25 10213dddtststs1212间匀速运动间匀速运动0211211d12150*0.2713.5 /12tstt中间段(中间段(2-32-3)匀速运动速度:)匀速运动速度:03223d23253510 /1st 02223125050 /sgns 2312221013.50.4750ts在以上加速度的条件下,速度由在以上加速度的条件下,速度由13.513.5/s/s变化到变化到-10-10/s/s的耗时的耗时但是匀速运动时间暂时无法求到!但是匀速运动时间暂时无法求到!因

11、为末端减速段耗时未知!因为末端减速段耗时未知!2323有运动方向的变化(反向),显然有负加速度:有运动方向的变化(反向),显然有负加速度:18起始段起始段直线段耗时:直线段耗时:12121210.4720.271.5022dtttts中间段(中间段(2-32-3)匀速运动速度:)匀速运动速度:03223d23253510 /1st 但是匀速运动时但是匀速运动时间暂时无法求到!间暂时无法求到!结束段(结束段(3-43-4)的减)的减速速时间(由一定的速度到静止状态):时间(由一定的速度到静止状态):421025390.10250ts结束段(结束段(3-43-4)的匀速运动时间:)的匀速运动时间:

12、03410255.10 /30.05s 192-32-3,3-43-4两端匀速运动速度由差异,那么两端匀速运动速度由差异,那么3 3点末端需要一个点末端需要一个加速加速03410255.10 /30.05s 3 3点末端加速点末端加速段耗时:段耗时:35.1010.00.09850ts 03223d23253510 /1st 02334235050 /sgns232323110.470.09810.7162222dtttts 这样留给这样留给2-32-3段匀速运动的时间:段匀速运动的时间:203-43-4段匀速运动的时间(匀速速度段匀速运动的时间(匀速速度-5.10-5.10/s/s):):3

13、4344310.09830.1022.84922dtttts216.2 6.2 直角坐标空间路径规划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。夹手的直角坐标节点序列确定的。直角坐标节点:直角坐标节点:表示夹手位姿的齐次变换矩阵。表示夹手位姿的齐次变换矩阵。0123456PPPPPPP以上即为夹手必须经过的直角以上即为夹手必须经过的直角坐标节点。参照这些节点的位坐标节点。参照这些节点的位姿,可将手部描述为一连串的姿,可将手部描述为一连串的运动和动作。运动和动作。22在直角坐标中,将机器人的

14、目标(节点)位姿通过以下在直角坐标中,将机器人的目标(节点)位姿通过以下矩阵方程表示:矩阵方程表示: 060base6toolbaseobjtT TCP以上等式表示为:以上等式表示为:机器人抓取位姿机器人抓取位姿 = = 操作对象期望抓取位姿操作对象期望抓取位姿 160base0toolbaseobj6tTCPT6toolT求解求解 ,并通过逆向运动学得到各关节变量值。,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。实时完成难度较大,需要预先进行路径的规划。236.3 6.3 移动机器人路径规划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

15、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。多功能于一体的综合性系统。 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、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。路径。24 传统路径规划大多基于图论的思想,通过一定的方法建立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、几

16、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。栅格解耦法、动态规划算法等。25 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。算法、蜂群算法等。26 全局路径规划,又称为静态或离线路径规划,作业的环境全局路径规划,又称为静态或离线路径规划,作业的环境信息完全已知,主要方法有栅

17、格法、可视图法、链接图法、概信息完全已知,主要方法有栅格法、可视图法、链接图法、概率路径图法、拓扑法等。率路径图法、拓扑法等。 局部路径规划局部路径规划,局部路径规划局部路径规划,又称为动态或在线路径规划,又称为动态或在线路径规划,作业环境部分未知或完全未知,作业环境部分未知或完全未知,主要方法有人工势场法、模糊主要方法有人工势场法、模糊逻辑算法、遗传算法、蚁群算逻辑算法、遗传算法、蚁群算法、免疫算法等。法、免疫算法等。27 无论何种路径规划方法,原始尺寸变换是必须进行的。无论何种路径规划方法,原始尺寸变换是必须进行的。286.4 6.4 遗传算法简介遗传算法简介 遗传算法基于自然选择的生物进

18、化,是一种模仿生物进化遗传算法基于自然选择的生物进化,是一种模仿生物进化过程的随机方法。过程的随机方法。 自适应、全局化优化、概率化搜索。自适应、全局化优化、概率化搜索。6.4.1 6.4.1 遗传算法基本框架遗传算法基本框架 求函数极值问题(极大、极小),用以下数学规划模型来求函数极值问题(极大、极小),用以下数学规划模型来描述:描述:29决策向量:决策向量:12TnxxxX用长度一定的二进制编码串分别表示用长度一定的二进制编码串分别表示n n的决策向量:的决策向量:120101000101110101; 0001; 0111inxxxX染色体(个体)染色体(个体)M M个染色体构建成为一个

19、群体。个染色体构建成为一个群体。对群体中每一个染色体按照一定规则确定其适应度。对群体中每一个染色体按照一定规则确定其适应度。 to find maxiumiiFfX30使用遗传算子使用遗传算子遗传算子:选择、交叉、变异遗传算子:选择、交叉、变异 P t1P t 6.4.2 6.4.2 遗传算法的运算过程遗传算法的运算过程316.4.3 6.4.3 遗传算法算例遗传算法算例1 1)个体编码)个体编码2 2)初始群体的产生)初始群体的产生3 3)适应度的计算(解码)适应度的计算(解码) 个体对应的目标函数值(适应度)个体对应的目标函数值(适应度)326 6)选择计算(复制计算):适应度高的个体遗传

20、到下一代)选择计算(复制计算):适应度高的个体遗传到下一代 原则?原则?与适应度成正比的概率!与适应度成正比的概率! 计算每个个体被遗传到下一代的概率计算每个个体被遗传到下一代的概率 设计与适应度成正比的概率来选择被遗传的个体。设计与适应度成正比的概率来选择被遗传的个体。33 概率概率0.240.24的被选择了两次,概率的被选择了两次,概率0.350.35的被选择了一次,的被选择了一次,概率为概率为0.170.17的被选择了的被选择了0 0次次 。 5 5)交叉运算:产生新个体的主要方式(单点交叉)交叉运算:产生新个体的主要方式(单点交叉) 随机配对随机配对 随机设置交叉点(交叉点设置在被交叉

21、染色体之前)随机设置交叉点(交叉点设置在被交叉染色体之前)1-2:21-2:2: 01011 1101101;11111 1001001交叉运算结果:交叉运算结果: 01011 1001001;11111 11011 1011 (1111)34 6 6)变异运算:某一个或某几个基因的改变)变异运算:某一个或某几个基因的改变 随机选择变异点(随机选择变异点(1212) 随机设置交叉点(交叉点设置在被交叉染色体之前)随机设置交叉点(交叉点设置在被交叉染色体之前)3 3号染色体在第二位变异:号染色体在第二位变异:1 10 010011001 变异运算结果:变异运算结果:1 11 11001 1001

22、 (1313)注意注意2 2号染色体的变异结果!号染色体的变异结果!35 获得子代群体获得子代群体P P(1 1)(1414) 重复适应度的计算重复适应度的计算(1515)()(1616)()(1717)已经有了明显的改进!已经有了明显的改进! 实际上实际上个体个体2 2即为最佳个体!即为最佳个体!366.4.4 6.4.4 遗传算法的特点遗传算法的特点1 1)以决策变量的编码作为运算对象,可以借助于生物学)以决策变量的编码作为运算对象,可以借助于生物学中的基因、变异等概念。中的基因、变异等概念。3 3)并行多点搜索(并行运算)。)并行多点搜索(并行运算)。4 4)使用概率搜索技术。)使用概率

23、搜索技术。2 2)以目标函数值作为搜索信息,不需要其它诸如目标函)以目标函数值作为搜索信息,不需要其它诸如目标函数值导数等辅助信息。数值导数等辅助信息。376.5 6.5 基于遗传算法的移动机器人路径规划基于遗传算法的移动机器人路径规划6.5.1 6.5.1 离散空间中移动机器人路径规划离散空间中移动机器人路径规划以路径最短为评价指标以路径最短为评价指标1.1.规划空间的网格化建模规划空间的网格化建模直角坐标法、直角坐标法、序号法序号法2.2.路径规划遗传算法路径规划遗传算法(1 1)个体编码方法)个体编码方法网格序号编码:网格序号编码:0,1,11,21,22,23,33,44,0,1,11,21,22,23,33,44,38编码长度短、简明、直观编码长度短、简明

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