基于随机搜索树法的机械臂视觉伺服研究

在当今的工业应用中,机械臂完成某一特定作业任务的基础是进行轨迹规划。针对单纯基于图像的视觉伺服(the image-based visual servoing,IBVS),不能直接对相机或机械臂的运行轨迹进行控制,容易造成跟踪目标脱离视野、机械臂与工作空间障碍物相碰撞的问题,本文提出了三维随机搜索树算法(the three-dimensional Rapidly-exploring Random Trees algorithm,3D-RRT)实现机械臂的轨迹规划,将轨迹规划与视觉伺服相融合,使机械臂在跟踪移动过程中,满足图像视野范围限制和空间障碍物约束问题。在MATLAB平台建立算法仿真实验,结果表明三维随机搜索树算法(3D-RRT)可以较好解决基于图像的视觉伺服(IBVS)中存在的问题。

基于优化快速搜索随机树算法的全局路径规划

为了改善传统快速搜索随机树(RRT)算法在全局路径规划中存在的平滑度差、具有潜在碰撞性等问题,提出了一种双重优化的RRT算法。在传统RRT算法基础上,引入自适应目标偏向策略以缩短采样时间,引入角度约束采样策略以适应车辆极限转角。得到初始路径后,建立二项优化函数(即降低路径曲率和远离障碍物),并将其作为基点进行梯度下降二次优化,生成可供车辆行驶、平滑性良好且碰撞概率低的路径,并进行仿真验证。结果表明:优化RRT算法相比于传统RRT算法、RRT-Connect算法和RRT算法,平均曲率分别降低了38.1%、36.4%和24.7%,曲率均方差分别降低了38.4%、38.4%和27.2%。

改进双向快速搜索随机树的无人艇路径规划

针对双向快速搜索随机树(bidirectional rapidly-exploring random tree, BI-RRT)算法在全局路径规划时存在搜索效率低、路径拐点较多等问题,提出一种改进BI-RRT的水面无人艇(unmanned surface vehicle, USV)全局路径规划算法。该算法采取了极度贪心的思想、高斯偏置随机点采样方法以及启发式的节点扩展策略,同时对节点扩展和搜索树连接进行角度约束,将生成的路径进行剪枝和3次B样条优化处理。结果表明,相对于改进前,改进的BI-RRT在平均时间、随机采样点和平均路径上分别减少了40.5%、65.0%和24.0%。改进后的算法时间、采样点和搜索树扩展大幅度减少,路径平滑度提高且路径更短。

基于快速搜索随机树算法的无人船路径规划研究

无人船航行时的安全性、可靠性和稳定性至关重要。有效的路径规划技术可显著提高无人船的避碰能力和缩短航行距离,已成为无人船领域的重点研究内容。本文:首先,分析了传统的快速搜索随机树(rapidly-exploration random tree,RRT)算法的程序原理和算法流程;其次,针对其不足之处引入偏置采样的方案,增加了对目标点的引导以提高其运行效率,在此基础上采用贪心思想进一步优化无人船的路径,继而提出改进的RRT算法和RRT-connect(rapidly-exploring random tree connect)算法;最后,对几种环境复杂程度不同的地图进行仿真模拟实验,验证改进方法的可行性。验证结果表明,改进的RRT-Connect算法可减少环境复杂多变对无人船路径规划的干扰,并能有效提高路径规划效率。

越野环境下势场搜索树智能车辆路径规划方法

智能车辆路径规划是智能驾驶的一项关键技术,传统的车辆路径规划方法以最短通行距离或最小通行时间为优化目标,忽视了规划过程中的车辆运动风险。在快速随机搜索树算法的基础上,运用势场模型量化评估车辆运动风险。在快速获得车辆初始运动轨迹的基础上,以车辆运动轨迹的安全性以及通行距离和车辆转角作为运动轨迹评估依据,采用轨迹重构优化方法持续优化车辆运动轨迹。采用场景模拟仿真方法,验证规划轨迹的性能。仿真实验结果表明,在典型场景下,该方法具备平衡车辆运动效率与安全性能的特点,能在越野环境中规避障碍物和环境威胁,所规划的运动轨迹符合车辆运动学特性,运动轨迹的安全性好,通行效率较高。

基于自适应步长快速搜索随机树算法的船舶避碰路径规划

快速搜索随机树算法被广泛应用于船舶避碰路径规划。针对传统快速搜索随机树算法在复杂水域条件下搜索效率低的问题,提出了基于自适应步长快速搜索随机树算法的船舶避碰路径规划模型。首先,引入船舶领域模型,并基于《国际海上避碰规则》为让路船设置虚拟障碍。其次,引入时间序列并建立动态障碍检测机制。采用启发式采样策略,减少无效节点的生成。最后,建立障碍物密集度与搜索步长的映射关系,以上一步采样步长作为已知条件预测当前步采样步长,并利用采样点周围障碍物密集程度修正当前最优的采样步长。仿真试验结果表明,相较于传统的快速搜索随机树算法,采用自适应步长快速搜索随机树算法的船舶避碰路径规划模型在采样成功率、搜索路径耗时、路径段数和路径总长度等四个方面均表现最优,在提高算法效率的同时能够实现更高质量的路径规划。

基于三维随机树算法的稠密约束环境铁路线路优化

铁路选线是一个复杂的工程问题,尤其是当稠密约束选线环境内存在起伏地形高差约束和大量障碍物时,现有计算机辅助线路设计方法往往需要耗费大量的计算时间和资源才能生成优化方案,甚至容易停滞,无法找到可行方案。为解决这一问题,提出一种三维快速搜索随机树算法以期快速生成满足所有约束的线路方案。首先,为避免随机树搜索陷入局部最优,提出平-纵整合式随机树启发式采样方法,将随机树搜索扩展到三维空间并实现对选线搜索区域的全面探索。其次,为了在线路搜索过程中高效提取相关环境信息,提出多源异构综合地理信息的统一管理方法,针对环境信息特点定制相应的储存策略,将地形、障碍物等环境信息离散到综合地理信息模型中,并在随机树搜索过程中动态处治障碍物约束。随后集成启发式采样方法和约束处治算子,提出随机树进化搜索方法,在随机树拓展过程中高效检索和处治障碍物,快速生成优化路径方案。最后,将此方法应用于一个真实稠密约束线路案例中,实验结果证明,此方法能实现对所有障碍物约束的空间绕避,并能快速产生优化线路方案,相比于人工方案,机选方案的造价降低了4.8%。实验结果表明此方法可以提高线路设计效率,为人工设计提供有价值的参考。

基于栅格法的机器人路径规划快速搜索随机树算法

针对复杂环境下的机器人路径规划问题,提出了一种全新的基于栅格法的机器人路径规划快速搜索随机树算法.以机器人出发点为随机树的根节点,通过扩展,逐渐增加叶节点直至随机树的叶节点中包含了目标点.从出发点到目标点之间的一条以随机树的边组成的路径就是目标路径.研究表明在同样的环境下与遗传算法、A*算法相比该方法能在更短的时间内找到更优的路径.仿真实验也表明,即使在随机生成的复杂环境下,利用该算法也可以快速规划出一条全局优化路径,且能安全避障.

基于改进快速搜索随机树法的机械手路径优化

针对多关节机械手路径优化问题,提出一种改进快速搜索随机树(Rapidly-exploring random trees,RRT)优化算法。利用标准RRT算法规划初始可行路径,根据路径长度与路径安全性计算出该路径代价。在后期搜索树生长过程中,中间目标点并非随机采样,而是选择能使当前路径代价低于其之前路径代价的节点,同时对该节点进行距离检测,避免产生过于密集的节点集。为加快搜索树向未知区域的扩充速度,从最近节点向中间目标点扩充过程中,采用一种贪婪启发式扩充算法:节点以一定步长循环扩充,直至扩充到达目标节点或产生不连通节点。最后对6自由度检修机械手进行路径规划仿真试验,结果表明相对于标准RRT算法,规划路径的质量得到大幅提高。

未知环境下基于快速搜索随机树的机器人路径滚动规划

在未知环境下,移动机器人没有全局信息,一次只能规划出探测范围内的局部路径.针对这一特点,提出了一种全新的基于滚动窗口的快速搜索随机树算法.该算法以机器人出发点为根节点,充分利用机器人实时测得的局部环境信息,以滚动方式进行在线扩展,逐渐增加叶节点直至随机树的叶节点包括了目标节点,从根节点到目标节点的随机树的边即为规划出的路径.大量仿真实验表明,即使在障碍物非常复杂的未知地理环境下,该算法也能快速规划出一条全局优化路径,且能安全避障.

基于改进快速搜索随机树算法的包裹分拣路径规划算法

针对现有快递包裹分拣系统存在的传输速度慢,准确率低等问题,提出一种改进的快速搜索随机树(RRT)算法。该算法以RRT算法为基础,首先建立了包裹环境模型,引入人工势场法引力分量使节点的扩展更具方向性。其次,对于节点进入障碍物区域需多次重新采样的问题,采用扇形区域法避障以提高算法生成质量,并在路径规划结束后采取二次优化,以获得平滑的路径。仿真结果表明,改进后的算法相比于传统的RRT算法,包裹传输速度提高73.22%,与加入人工势场法的改进算法相比,包裹传输速度提高94.46%。

一种改进的双向快速搜索随机树算法

针对快速搜索随机树(RRT)算法随机性大、效率低的问题,提出了一种改进的双向RRT算法。该算法采用预生长机制,快速通过前期无障碍区域;以重要程度划分障碍物,减小势场计算规模,提高路径规划的避障效率;同时采用基于欧氏距离的筛选机制对随机点进行遴选,减少在低可能路径区域的生长。最后在仿真环境下进行实验,验证了所提算法的可行性和有效性。

快速搜索随机树算法在航空电缆布线中的应用

针对航空电缆布线中面临的电缆线路分支多、路径复杂等问题,提出一种改进的快速搜索随机树算法。应用这一算法对各电缆线路分支进行计算,进而得出最优路径轨迹,以及各电缆线路分支轨迹的长度。对所提出的算法进行样机试验,确认电缆布线包装机能够达到包装技术标准中无褶皱冗余、路径最短、表面绝缘层无磨损等要求。应用所提出的改进快速搜索随机树算法,可以有效提高航空电缆布线效率,降低劳动量和报废率。

随机二叉搜索树上的若干强极限性质

设随机变量Xn,Yn,Zn和Sn,k分别表示大小为n的随机二叉搜索树上的具有0,1,2个子顶点的顶点数目及大小为k的子树的数目,得到了关于它们的一些强极限性质。

基于随机树节点的变电站机器人全覆盖巡检路径优化设计研究

常规的机器人巡检路径规划方法通常以最短规划时长作为目标,通过结合机器人的工作性能,对目标函数进行约束,通过求取最优解实现路径规划。但由于忽略了机器人工作视野的限制,导致规划效果不佳。对此,针对变电站机器人,提出基于快速搜索随机树的全覆盖巡检路径规划方法。首先,利用栅格法对巡检区域进行环境建模,并计算局部滚动窗口,获得机器人的最佳工作视野范围。然后,将目标采样阈值设定为一个动态变量,计算随机树节点的路径代价,通过将双向搜索与迭代的方式,实现随机树节点扩展,从而搜索到最优路径规划结果。在实验中,对该方法的规划效果进行检验,结果表明,在可以完成巡检任务的前提下,采用该方法规划的巡检路径较短,可以提高机器人巡检的效率。

基于快速搜索随机树的薄片元件拾取机械手电控系统设计

微型薄片散列元件的拾取问题一直困扰着微型机构的装配能力,如何提高微型元件拾取效率和拾取精度一直是机器人智能控制的研究方向。为此,采用振动盘驱动设备,通过其震动能量驱动散列薄片元件沿螺旋轨道顺序排列并推挤前进,然后由轨道末端传感器感知元件并通过PLC控制三自由机械手夹取元件。为提高夹取效率,给出了机械手电控系统的实施方案,并结合快速搜索随机树避障算法,对机械手的运动轨迹进行了模拟仿真,得到了机械手3个自由度下关节的运动路径,对于优化电控系统软件设计提供了重要参数指导。

在随机二分搜索树中结点子树的期望分布

本文讨论了随机二分搜索树中结点子树的期望分布,得出该树的期望形状趋于平衡,说明随机二分搜索树是—种性能较好的树.

改进的快速探索随机树双足机器人路径规划算法

针对快速探索随机树(RRT)算法进行路径规划时随机性大且未考虑移动代价的问题,提出了任意时间快速探索随机树算法。生成一组快速探索随机树,之后每个树都重新使用上个树的信息来不断改进树的延伸。为进一步优化算法,使用节点缓存来生成一个引力函数来减少移动代价。最终的算法能够快速地生成初始路径,在规划时间内不断地改进路径且通过使用阈值来确保后面路径都比上次的移动代价更小。双足机器人仿真实验中,改进后的算法与初始的算法相比,搜索的节点数由883减少到704,效率提高了近25%。实验结果表明了改进算法的有效性。

基于CL-RRT与MPC的舰载机牵引系统路径规划

针对舰载机在甲板狭小、复杂环境下的调运过程,结合闭环快速随机搜索树(close loop rapidly exploring random trees,CL-RRT)和模型预测控制(model predictive control,MPC)提出一种舰载机牵引系统的路径规划算法。首先,在CL-RRT中采用纯追踪器与线性二次型(linear quadratic,LQ)控制器得到系统的控制输入并向前仿真得到规划路径。其次,将已得路径进行等比缩放与插值作为MPC的初始解。最后,设置MPC的目标函数等并解得最终路径。展开自定义三个场景下的仿真实验,通过与CL-RRT算法的实验结果进行比较,验证本文算法的优越性。实验结果表明,所提算法可有效解决因采样随机性带来解质量不佳的问题,提升舰载机在甲板上的调运效率与安全性。

基于RRT搜索算法的六自由度机械臂避障路径规划

针对三维空间下的机器人路径规划问题,提出了一种改进的快速随机树算法。该算法以机器人的出发点作为随机树的根节点,以基准向量为基准选择节点的扩展方向,逐渐增加叶子节点,降低了节点的随机性,提高了扩展速度。通过运动学反解快速规划出一条全局优化路径,对于反解失败的点,做了规划替代,保证了路径规划的平滑性,降低了机器人工作过程中的抖动,从而得到能够抵达目标位姿的安全路径。