tpcr机器人路径规划算法研究-机械工程专业毕业论文.docx

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Dissertation for the Master Degree in Engineering
RESEARCH ON PATH PLANNING ALGORITHM FOR TUBE PLATE CRAWLING ROBOT
Candidate: Li Minglei
Supervisor: Prof. Zhao Jie
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Mechanical Engineering
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: July, 2015
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘 要
移动机器人技术是一门综合性非常强的学科,集中体现了机械、电子、计算机技术、人工智能理论等诸多学科的最新研究成果。近几十年来,随着相关技术的进步,特别是计算机技术和人工智能理论的日益成熟,移动机器人技术也获得了长足的发展。路径规划算法是移动机器人技术的重要研究领域之一, 一个合适的路径规划算法可以极大的提高移动机器人的工作效率,因此,进行移动机器人的路径规划算法相关研究具有非常重要的理论价值和现实意义。
本文以实现 TPCR 机器人的路径规划和移动避障为目标,系统的进行了关于机器人的工作空间、运动模型和碰撞检测等多方面的研究,利用 A*算法完成了机器人的路径规划,最后通过机器人仿真控制系统进行了路径规划的仿真实验,验证算法的可行性。
为了完成机器人的路径规划,首先进行了 TPCR 机器人工作空间的建模, 即将机器人的工作空间特征信息,通过特定的方式转化为易于算法处理的地图模型,TPCR 机器人的工作空间可以认为是二维平面上以正方形或者三角形方
式分布的管阵,针对该类工作空间,使用了栅格地图法完成了空间建模。另一
方面,在对 TPCR 机器人三维模型进行分析后,通过特征信息参数化的方式将机器人三维模型表示为易于算法直接处理的运动模型。
碰撞检测是移动机器人路径规划中的一项重要内容,TPCR 机器人在运动
过程中,可能遇到边界碰撞、堵孔、盲孔等多种情况,为了完成轨迹规划,必须进行碰撞检测。本文采用了求解无碰撞运动空间的方式来完成机器人的碰撞
检测问题,即将 TPCR 机器人的路径规划问题从工作运动空间转移到无碰撞运动空间中。在实际操作过程中,把碰撞检验分为基于参数计算的检验方法和八
叉树结构模型检测方法。另外,TPCR 机器人在正常工作时,一般倒垂于管板
的下方,为了防止机器人由于系统故障或人为误操作导致机器人坠落,还对机器人的动作进行了逻辑保护。
本文提出了一种基于 A*算法的 TPCR 机器人路径规划方法。该算法根据
机器人的运动方式定义了规划的基本单位“步”,然后在此基础上完成了算法的节点拓展方式和估价函数设计,为实现机器人的路径规划问题奠定了基础。
最后,在 TPCR 机器人仿真控制系统的基础上搭建了仿真环境,根据机器人工作过程中管板的工况,设计相应类型的仿真实验,通过对实验结果的分析,
验证了提出的基于 A*的轨迹规划算法的有效性。
关键词: TPCR 机器人;碰撞检测;A*算法;路径规划
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Abstract
Mobile robotics is a subject with prehensive, it relates to the latest research results of many subjects. In recent decades, mobile robotics have received considerable development along with the progress of related technology, such as the growing maturity of puter technology and artificial intelligence theory. In the study of the mobile robot related technologies, path planning algorithm is an important project. A suitable path planning algorithm can greatly improve the efficiency of the mobile robot, the