一種基于電荷系統(tǒng)搜索的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于電荷系統(tǒng)搜索的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法，建立機(jī)器人路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型；初始化機(jī)器人需進(jìn)行路徑規(guī)劃的環(huán)境參數(shù)以及電荷系統(tǒng)搜索算法的相關(guān)參數(shù)；隨機(jī)初始化N條路徑以及各個(gè)電荷的初始位置和速度；根據(jù)機(jī)器人環(huán)境信息以及機(jī)器人路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，計(jì)算各個(gè)電荷的適應(yīng)度值fit,適應(yīng)度最好值fitbest，適應(yīng)度最壞值fitworst；更新每個(gè)電荷的電荷量qj，兩個(gè)電荷之間的吸引標(biāo)志pij及兩個(gè)電荷之間的歐氏距離rij；更新每個(gè)電荷的位置及速度；然后根據(jù)機(jī)器人路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型重新計(jì)算每個(gè)電荷的適應(yīng)度，找出當(dāng)前適應(yīng)度最好的電荷的位置Xbest,new，即機(jī)器人的最優(yōu)路徑path；若迭代次數(shù)大于最大迭代次數(shù)itermax，則退出循環(huán)，輸出最優(yōu)路徑path，否則返回進(jìn)入下一迭代。
【專利說(shuō)明】一種基于電荷系統(tǒng)搜索的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于電荷系統(tǒng)搜索的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)器人路徑規(guī)劃是指在其工作空間中，為機(jī)器人完成某一給定任務(wù)提供一條安全、高效的運(yùn)動(dòng)路徑。一般而言，機(jī)器人完成給定任務(wù)可選擇的路徑有許多條，實(shí)際應(yīng)用中往往要選擇一條在一定準(zhǔn)則下為最優(yōu)(或近似最優(yōu))的路徑，常用的準(zhǔn)則有:路徑最短、消耗能量最少或使用時(shí)間最短等。因此，機(jī)器人路徑規(guī)劃實(shí)質(zhì)上是一個(gè)有約束的優(yōu)化問(wèn)題。
[0003]路徑規(guī)劃問(wèn)題是移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要的課題，根據(jù)事先掌握環(huán)境信息的程度，路徑規(guī)劃問(wèn)題可分為基于先驗(yàn)環(huán)境信息的全局路徑規(guī)劃和基于傳感器的局部路徑規(guī)劃。傳統(tǒng)的全局路徑規(guī)劃方法主要有柵格法、可視圖法、拓?fù)浞ê妥杂煽臻g法等，這些傳統(tǒng)的方法均存在計(jì)算效率低，不適用于高維優(yōu)化問(wèn)題的缺點(diǎn)。隨著許多智能仿生優(yōu)化算法的提出和快速發(fā)展，許多學(xué)者將這些算法應(yīng)用于機(jī)器人路徑規(guī)劃領(lǐng)域，取得了一定的效果。
[0004]電荷系統(tǒng)搜索算法(Charged System Search, CCS)是一種源自對(duì)物理學(xué)中的庫(kù)倫定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行模擬的新的優(yōu)化搜索技術(shù)，是一種元啟發(fā)式算法，它通過(guò)群體中各個(gè)帶電電荷的電場(chǎng)力的相互作用產(chǎn)生的群體智能指導(dǎo)優(yōu)化搜索。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種基于電荷系統(tǒng)搜索的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法，計(jì)算效率高，能夠有效解決復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案:
[0007]一種基于電荷系統(tǒng)搜索的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法，其特征在于:
[0008]步驟1:建立機(jī)器人路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型；
[0009]步驟2:初始化機(jī)器人需進(jìn)行路徑規(guī)劃的環(huán)境參數(shù)以及電荷系統(tǒng)搜索算法的相關(guān)參數(shù)；
[0010]步驟3:隨機(jī)初始化N條路徑以及各個(gè)電荷的初始位置和速度，以機(jī)器人起始位置和目標(biāo)位置為X軸建立直角坐標(biāo)系，將X軸D等分，
[0011]定義第j 個(gè)電荷的位置為 A =j =丨，2，...,JV ,其中表示
第j個(gè)電荷在第d維上的位置，每個(gè)電荷的位置\就代表一條機(jī)器人的運(yùn)行路徑，最終所有電荷中的最優(yōu)位置即為機(jī)器人的最優(yōu)路徑；
[0012]步驟4:根據(jù)機(jī)器人環(huán)境信息以及在步驟I中建立的機(jī)器人路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，計(jì)算各個(gè)電荷的適應(yīng)度值fit，適應(yīng)度最好值fitbest，適應(yīng)度最壞值fitworst ；
[0013]步驟5:根據(jù)步驟4中獲得的各個(gè)電荷的適應(yīng)度值fit、適應(yīng)度最好值fitbest、適應(yīng)度最壞值fitworst，更新每個(gè)電荷的電荷量qp兩個(gè)電荷之間的吸引標(biāo)志Pu及兩個(gè)電荷之間的歐氏距離rij;
[0014]步驟6:根據(jù)步驟5中獲得的每個(gè)電荷的電荷量qp兩個(gè)電荷之間的吸引標(biāo)志Pij及兩個(gè)電荷之間的歐氏距離ru，更新每個(gè)電荷的位置及速度；然后根據(jù)步驟1中建立的機(jī)器人路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型重新計(jì)算每個(gè)電荷的適應(yīng)度，找出當(dāng)前適應(yīng)度最好的電荷的位置Xbest, new?即機(jī)器人的最優(yōu)路徑Path ；
[0015]步驟7:若迭代次數(shù)大于最大迭代次數(shù)Uermax，則退出循環(huán)，輸出最優(yōu)路徑path，否則返回步驟5進(jìn)入下一迭代。
[0016]步驟1中，通過(guò)如下公式，建立機(jī)器人路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，
[0017]
【權(quán)利要求】
1.一種基于電荷系統(tǒng)搜索的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法，其特征在于: 步驟1:建立機(jī)器人路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型； 步驟2:初始化機(jī)器人需進(jìn)行路徑規(guī)劃的環(huán)境參數(shù)以及電荷系統(tǒng)搜索算法的相關(guān)參數(shù)； 步驟3:隨機(jī)初始化N條路徑以及各個(gè)電荷的初始位置和速度，以機(jī)器人起始位置和目標(biāo)位置為X軸建立直角坐標(biāo)系，將X軸D等分， 定義第j個(gè)電荷的位置為Ii……_/ = 1,2,...^,其中彳表示第」_個(gè)電荷在第d維上的位置，每個(gè)電荷的位置Xj就代表一條機(jī)器人的運(yùn)行路徑，最終所有電荷中的最優(yōu)位置即為機(jī)器人的最優(yōu)路徑； 步驟4:根據(jù)機(jī)器人環(huán)境信息以及在步驟I中建立的機(jī)器人路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，計(jì)算各個(gè)電荷的適應(yīng)度值fit,適應(yīng)度最好值fitbest，適應(yīng)度最壞值fitworst ； 步驟5:根據(jù)步驟4中獲得的各個(gè)電荷的適應(yīng)度值fit、適應(yīng)度最好值fitbest、適應(yīng)度最壞值fitworst，更新每個(gè)電荷的電荷量qp兩個(gè)電荷之間的吸引標(biāo)志Pu及兩個(gè)電荷之間的歐氏距離ru; 步驟6:根據(jù)步驟5中獲得的每個(gè)電荷的電荷量％，兩個(gè)電荷之間的吸引標(biāo)志Pij及兩個(gè)電荷之間的歐氏距離ru，更新每個(gè)電荷的位置及速度；然后根據(jù)步驟I中建立的機(jī)器人路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型重新 計(jì)算每個(gè)電荷的適應(yīng)度，找出當(dāng)前適應(yīng)度最好的電荷的位置Xbest, new?即機(jī)器人的最優(yōu)路徑Path ； 步驟7:若迭代次數(shù)大于最大迭代次數(shù)Uermax，則退出循環(huán)，輸出最優(yōu)路徑path，否則返回步驟5進(jìn)入下一迭代。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電荷系統(tǒng)搜索的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法，其特征在于:步驟I中，通過(guò)如下公式，建立機(jī)器人路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，F(xiàn) = min￡ ^aB+^l—a)E~^il 式中，F(xiàn)表示廣義代價(jià)函數(shù)，L表示路徑長(zhǎng)度，B表示環(huán)境障礙物對(duì)機(jī)器人的阻礙代價(jià)，E表示機(jī)器人運(yùn)行消耗的能量，a e [0，I]表示機(jī)器人安全運(yùn)行和消耗能量之間的權(quán)衡系數(shù)； 環(huán)境障礙物對(duì)機(jī)器人的阻礙代價(jià)B通過(guò)如下公式獲得，,vft I1=1 ak 式中，Nb表示障礙物的個(gè)數(shù)，dk表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的中點(diǎn)距第k個(gè)障礙物的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電荷系統(tǒng)搜索的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法，其特征在于:步驟2中，初始化的參數(shù)包括:電荷種群規(guī)模N，優(yōu)化維數(shù)D，算法最大迭代次數(shù)itermax，機(jī)器人安全運(yùn)行和消耗能量之間的權(quán)衡系數(shù)α，環(huán)境中的障礙物個(gè)數(shù)Nb，電荷位置更新方程中的電荷半徑a，機(jī)器人運(yùn)行的起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于電荷系統(tǒng)搜索的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法，其特征在于: 步驟5中，更新公式如下，
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于電荷系統(tǒng)搜索的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法，其特征在于: 步驟6中，每個(gè)電荷的位置及速度更新公式如下，
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK104020769SQ201410264165
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】管鳳旭, 劉曉龍, 廉德源, 趙拓, 楊長(zhǎng)青 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)