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Local minima-free design of artificial coordinating fields 被引量:1
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作者 XingjianJING YuechaoWANG 《控制理论与应用(英文版)》 EI 2004年第4期371-380,共10页
In order to overcome the drawbacks of conventional artificial potential fields (APF) based methods for the motion planning problems of mobile robots in dynamic uncertain environments, an artificial coordinating fields... In order to overcome the drawbacks of conventional artificial potential fields (APF) based methods for the motion planning problems of mobile robots in dynamic uncertain environments, an artificial coordinating fields (ACF) based method has been proposed recently. This paper deals with the reachability problem of the ACF, that is, how to design and choose the parameters of the ACF and how the environment should be such that the robot can reach its goal without being trapped in local minima. Some sufficient conditions for these purposes are developed theoretically. Theoretical analyses show that, the ACF can effectively remove local minima in dynamic uncertain environments with V-shape or U-shape obstacles, and guide the mobile robot to reach its goal with some necessary environment constraints and based on the methods provided in this paper to properly choose the parameters of the ACF. Comparisons between the ACF and APF, and simulations are provided to illustrate the advantages of the ACF. 展开更多
关键词 artificial coordinating field (acf) artificial potential field Local minima Dynamic uncertain environment ROBOT
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Artificial coordinating field and its application to motion planning of robots in uncertain dynamic environments 被引量:11
2
作者 JING Xingjian1, 2, WANG Yuechao1 & TAN Dalong1 1. Robotics Laboratory, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China 2. Graduate School, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China Correspondence should be addressed to Jing Xingjian 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS 2004年第5期577-594,共18页
Artificial coordinating fields (ACF) are proposed to deal with the motion planning problems of mobile robots in uncertain dynamic environments. An ACF around an obstacle can generate two orthogonal force vectors to a ... Artificial coordinating fields (ACF) are proposed to deal with the motion planning problems of mobile robots in uncertain dynamic environments. An ACF around an obstacle can generate two orthogonal force vectors to a robot: one is called the coordinating force vector which is purposively designed in this paper, and the other is the repulsive force vector which is the same as that in a conventional artificial potential field. The ACF is designed according to the updated motion purpose and the relative states of the robot with respect to its local environment, and it also satisfies the robot’s dynamic constraints. The direction of the coordinating force can be determiend on line according to an optimal evaluation function. The ACF can effectively remove the local minima, and reduce the oscillation of the planned trajectory between multiple obstacles. Only local knowledge of the environments is needed in the ACF-based motion planning. The properties of the ACF such as controllability, adaptability, safety and reachability are studied and discussed in detail in this paper. Theoretical analysis and simulations are given to illustrate our main results. 展开更多
关键词 artificial coordinating fields artificial potential fields mobile robots MOTION planning UNCERTAIN dynamic environments.
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萤火虫算法结合人工势场法的机器人路径规划 被引量:30
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作者 李丽娜 郭永强 +2 位作者 张晓东 卢媛 徐攀峰 《计算机工程与应用》 CSCD 北大核心 2018年第20期104-109,共6页
鉴于已有机器人全局路径规划算法存在的易出现目标不可达问题、计算效率较低、所规划路径平滑性欠佳等不足,提出将新型智能优化算法——萤火虫算法与传统人工势场法相结合的最优全局路径规划算法。首先,根据已知全局地图,利用算法结构... 鉴于已有机器人全局路径规划算法存在的易出现目标不可达问题、计算效率较低、所规划路径平滑性欠佳等不足,提出将新型智能优化算法——萤火虫算法与传统人工势场法相结合的最优全局路径规划算法。首先,根据已知全局地图,利用算法结构简单、计算量较小、运算速度较快的人工势场法作为初始化引导因子对萤火虫算法参数进行初始化,再以极坐标系代替直角坐标系利用萤火虫算法对规划路径进行寻优求解。极坐标法能自动舍弃规划路径上的冗余点,增强所规划路径的平滑性;同时考虑到传统萤火虫算法所存在的不足,对萤火虫算法进行了相应的改进:引入自适应步长改进随机步长,加快算法的收敛,并以混沌逻辑改进萤火虫算法的吸收系数,避免算法收敛到局部最优,在一定程度上解决人工势场法所存在局部震荡和目标不可达问题。实验结果表明所提算法实现效率高、避障效果好,安全可靠性好,最优路径更加接近理想路径,平均误差在0.08 m以下,能够很好地完成路径规划的目标。 展开更多
关键词 全局路径规划 人工势场法 改进萤火虫算法 极坐标系
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基于改进人工协调场的多机器人运动编队 被引量:3
4
作者 付帅 刘淑华 +1 位作者 张之雅 程宇 《吉林大学学报(信息科学版)》 CAS 2010年第2期153-157,共5页
针对多移动机器人编队形式单一、使用传统人工势场法易陷入局部极小的问题,提出改进人工协调场法。该方法不仅可在不同时间内随机器人数量不同而不断变换队形,达到运动编队的效果,而且适合追踪动态目标点,使机器人的避障能力更加灵活。... 针对多移动机器人编队形式单一、使用传统人工势场法易陷入局部极小的问题,提出改进人工协调场法。该方法不仅可在不同时间内随机器人数量不同而不断变换队形,达到运动编队的效果,而且适合追踪动态目标点,使机器人的避障能力更加灵活。通过仿真实验验证了上述方法的有效性。 展开更多
关键词 人工协调场 运动编队 动态目标点
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基于人工协调场的多移动机器人实时协调避碰规划 被引量:12
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作者 景兴建 王越超 谈大龙 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2004年第5期757-764,共8页
为克服传统人工势场在动态未知环境下机器人避碰规划中存在的缺陷,提出人工协调场法(ACF).将场函数与机器人的风险状态相结合,给出并讨论了人工协调场的基本设计.基于人工协调场,考虑机器人的运动约束,实现了多机器人之间以及机器人与... 为克服传统人工势场在动态未知环境下机器人避碰规划中存在的缺陷,提出人工协调场法(ACF).将场函数与机器人的风险状态相结合,给出并讨论了人工协调场的基本设计.基于人工协调场,考虑机器人的运动约束,实现了多机器人之间以及机器人与环境间的实时协调避碰,提出了一个多移动机器人无死锁实时避碰规划算法.理论分析和仿真试验证明所提方法的有效性. 展开更多
关键词 人工协调场 动态不确定环境 协调避碰 多机器人
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滚装船内受非完整约束的自主车自动泊车 被引量:2
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作者 王能建 张德福 周丽杰 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第9期1123-1128,共6页
针对大型汽车滚装船装载时,船上部分环境未知情况下的非完整自主车自动泊车问题,基于人工协调场和弹道成型制导律,提出了运动规划与控制同时执行的自动泊车方法.考虑车辆的几何形状,应用力的平移原理,提出一种斥力、协调力的计算方法.... 针对大型汽车滚装船装载时,船上部分环境未知情况下的非完整自主车自动泊车问题,基于人工协调场和弹道成型制导律,提出了运动规划与控制同时执行的自动泊车方法.考虑车辆的几何形状,应用力的平移原理,提出一种斥力、协调力的计算方法.由于受到的非完整约束,在设计底层控制方式时将合力主矢映射为当前行进方向上的速度标量,主矩映射为角速度标量.结合船内空间小,易形成狭窄通道的特点,分析了当自主车单侧有短的障碍物、长障碍物和双侧有长障碍物等不同形状大小障碍物对车运行平稳性的影响.仿真实验结果验证了该方法在复杂环境下行为决策的准确性和鲁棒性,实现了自主车安全避障和位姿控制. 展开更多
关键词 滚装船 非完整约束 自动泊车 运动规划 人工协调场 弹道成型制导律
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多圆碟形水下滑翔机的双层协调三维路径规划 被引量:2
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作者 王浩亮 卢丽宇 +3 位作者 王丹 李文华 刘陆 王安青 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第11期2084-2091,共8页
本文研究了欠驱动圆碟形水下滑翔机集群在海流干扰和水下碍航物影响下的三维路径规划问题.具体地:第一,根据圆碟形水下滑翔机的航行特点,建立了相应的航行时间模型,设计了三维路径规划的优化目标;第二,提出了一种基于双层协调的多水下... 本文研究了欠驱动圆碟形水下滑翔机集群在海流干扰和水下碍航物影响下的三维路径规划问题.具体地:第一,根据圆碟形水下滑翔机的航行特点,建立了相应的航行时间模型,设计了三维路径规划的优化目标;第二,提出了一种基于双层协调的多水下滑翔机三维路径规划结构,采用基于三维离散空间的全局路径规划和基于人工势场法的局部路径规划,避免了滑翔机与碍航物以及不同优先级的滑翔机之间发生碰撞;第三,基于双层协调路径规划结构,采用基于量子行为的自适应粒子群优化方法完成了时间最优目标下多圆碟形水下滑翔机的三维路径规划.仿真结果验证了所提多圆碟形水下滑翔机三维路径规划方法的有效性. 展开更多
关键词 圆碟形水下滑翔机 三维路径规划 双层协调结构 基于量子行为的自适应粒子群优化方法 人工势场法
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基于双层协调体系的多圆碟形AUG路径规划 被引量:2
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作者 王浩亮 孙定翔 +2 位作者 马小轩 王丹 吴浩峻 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期783-792,共10页
为研究海流干扰和水下碍航物影响下欠驱动圆碟形水下滑翔机集群的三维路径规划问题。本文根据圆碟形水下滑翔机的设备配置和工作特点,建立了相应的能量消耗模型。提出了一种基于全局与局部双层协调的三维路径规划体系,采用最小一致偏差... 为研究海流干扰和水下碍航物影响下欠驱动圆碟形水下滑翔机集群的三维路径规划问题。本文根据圆碟形水下滑翔机的设备配置和工作特点,建立了相应的能量消耗模型。提出了一种基于全局与局部双层协调的三维路径规划体系,采用最小一致偏差法完成了能耗最优目标下多圆碟形水下滑翔机的全局路径规划。根据避碰原则预测出全局路径中存在的航行危险碰撞区域,基于人工势场法进行局部路径规划,避免了滑翔机与碍航物以及不同优先级的滑翔机之间发生碰撞。仿真结果验证了所提基于双层协调体系的多圆碟形水下滑翔机三维路径规划方法的有效性。 展开更多
关键词 水下滑翔机 双层协调体系 三维路径规划 人工势场法 能耗优化 碍航物 避障避碰 最小一致偏差法
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基于Frenet和改进人工势场的在轨规避路径自主规划 被引量:12
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作者 刘冰雁 叶雄兵 +2 位作者 方胜良 刘怀兴 贾珺 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期731-741,共11页
在轨道间机动的航天器规避空间目标,需兼顾沿转移轨道飞行的绝对运动和规避空间目标的相对运动,路径自主规划难度较大且目前国内外公开研究成果较少。针对上述问题,提出了一种将Frenet坐标系与改进人工势场相结合的在轨规避路径自主规... 在轨道间机动的航天器规避空间目标,需兼顾沿转移轨道飞行的绝对运动和规避空间目标的相对运动,路径自主规划难度较大且目前国内外公开研究成果较少。针对上述问题,提出了一种将Frenet坐标系与改进人工势场相结合的在轨规避路径自主规划方法。首先,构建Frenet坐标系表述空间规避运动,解决了路径规划中航天器与既定转移轨道相对位置不易表述的难题,实现了空间规避运动的简便表示;其次,改进人工势场函数、调整势场作用区域,避免了传统人工势场法存在过早轨迹偏离以及局部震荡现象,实现了对空间目标的自主规避;最后,考虑规避安全、轨道保持、制动时效以及燃料消耗因素构建全局优化函数,能够满足不同任务的需求与偏好,实现了沿转移轨道飞行的最小偏移与快速恢复。算法比对与算例求解表明:所提方法应用优势明显,路径平滑、偏移量小,满足航天器规避空间目标的路径规划需求。 展开更多
关键词 轨道转移 规避机动 路径规划 Frenet坐标系 人工势场法
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基于改进人工协调场的多机器人避碰算法 被引量:7
10
作者 吴晋 张国良 +1 位作者 汤文俊 孙一杰 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2013年第11期3123-3128,共6页
针对多机器人系统中避碰问题,提出一种基于改进人工协调场的多机器人避碰算法。首先采用凸化障碍,子目标主动选择方法,解决人工协调场在有非凸障碍环境中的"死锁"问题;其次建立基于速度和距离的排斥力模型,以克服人工协调场... 针对多机器人系统中避碰问题,提出一种基于改进人工协调场的多机器人避碰算法。首先采用凸化障碍,子目标主动选择方法,解决人工协调场在有非凸障碍环境中的"死锁"问题;其次建立基于速度和距离的排斥力模型,以克服人工协调场对空间利用率低的缺陷,尤其是目标点与障碍物距离较近机器人无法抵达的情况;最后设计一种力混合器模型,并基于此模型以达到避免人工协调场中的运动抖动的效果。仿真实验证明该算法对解决有障碍环境下多机器人避碰问题的有效性和可靠性,增强了多机器人系统对复杂环境的适应性。 展开更多
关键词 人工协调场 避碰算法 多机器人系统 分布式系统
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基于参数时变人工势场的车道保持协调控制 被引量:12
11
作者 王其东 魏振亚 +2 位作者 陈无畏 谈东奎 谢有浩 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第18期105-114,共10页
针对传统人工势场法应用于车道保持系统时控制精度不高的问题,提出一种基于变参数道路势场的车道保持辅助控制方法。首先考虑汽车状态对车道保持控制的影响,引入汽车纵向车速和侧向车速两个变参数用于构建道路势场函数,通过势场梯度求... 针对传统人工势场法应用于车道保持系统时控制精度不高的问题,提出一种基于变参数道路势场的车道保持辅助控制方法。首先考虑汽车状态对车道保持控制的影响,引入汽车纵向车速和侧向车速两个变参数用于构建道路势场函数,通过势场梯度求解期望转向角。利用轨迹预测理论确定势场函数的设计参数,再建立包含变参数的路径跟踪误差变量状态方程模型,并分析闭环控制系统的稳定性。在此基础上,设计车道保持辅助转矩控制器,并考虑控制过程中的人机协调问题,以驾驶员转矩及其意图路径为输入,利用模糊规则动态地调整辅助控制权重。基于Matlab/Simulink和CarSim软件平台对所提出的控制方法进行仿真试验,其结果表明,该方法能够有效地提升车道保持控制精度,同时获得较好的人机协调性能。在CarSim/LabView硬件在环试验台架上对该方法进行试验验证,所得结论与仿真基本一致。 展开更多
关键词 人工势场 车道保持辅助 参数时变系统 模糊规则 协调控制
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Coordinate Control,Motion Optimization and Sea Experiment of a Fleet of Petrel-Ⅱ Gliders 被引量:5
12
作者 Dong-Yang Xue Zhi-Liang Wu +1 位作者 Yan-Hui Wang Shu-Xin Wang 《Chinese Journal of Mechanical Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2018年第1期127-141,共15页
The formation of hybrid underwater gliders has advantages in sustained ocean observation with high resolution and more adaptation for complicated ocean tasks. However, the current work mostly focused on the traditiona... The formation of hybrid underwater gliders has advantages in sustained ocean observation with high resolution and more adaptation for complicated ocean tasks. However, the current work mostly focused on the traditional gliders and AUVs.The research on control strategy and energy consumption minimization for the hybrid gliders is necessary both in methodology and experiment. A multi-layer coordinate control strategy is developed for the fleet of hybrid underwater gliders to control the gliders’ motion and formation geometry with optimized energy consumption. The inner layer integrated in the onboard controller and the outer layer integrated in the ground control center or the deck controller are designed. A coordinate control model is proposed based on multibody theory through adoption of artificial potential fields. Considering the existence of ocean flow, a hybrid motion energy consumption model is constructed and an optimization method is designed to obtain the heading angle, net buoyancy, gliding angle and the rotate speed of screw propeller to minimize the motion energy with consideration of the ocean flow. The feasibility of the coordinate control system and motion optimization method has been verified both by simulation and sea trials. Simulation results show the regularity of energy consumption with the control variables. The fleet of three Petrel-Ⅱ gliders developed by Tianjin University is deployed in the South China Sea. The trajectory error of each glider is less than 2.5 km, the formation shape error between each glider is less than 2 km, and the difference between actual energy consumption and the simulated energy consumption is less than 24% actual energy. The results of simulation and the sea trial prove the feasibility of the proposed coordinate control strategy and energy optimization method. In conclusion, a coordinate control system and a motion optimization method is studied, which can be used for reference in theoretical research and practical fleet operation for both the traditional gliders and hybrid gliders. 展开更多
关键词 Underwater glider Petrel-Ⅱ Coordinate control Path planning artificial potential fields(APFs) Energy consumption
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基于Frenet坐标下改进人工势场法的无人车局部路径规划 被引量:5
13
作者 姬鹏 郭明皓 《兵工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第7期2097-2109,共13页
人工势场法由于运算量小、精度高,广泛应用于无人车的局部路径规划。针对传统人工势场法存在目标不可达、局部最小值及陷入U型障碍物的问题,提出一种基于Frenet坐标系下改进人工势场法的路径规划算法。构建Frenet坐标系来表述车辆避障运... 人工势场法由于运算量小、精度高,广泛应用于无人车的局部路径规划。针对传统人工势场法存在目标不可达、局部最小值及陷入U型障碍物的问题,提出一种基于Frenet坐标系下改进人工势场法的路径规划算法。构建Frenet坐标系来表述车辆避障运动,简化规划模型,解决路径规划中车辆与所在道路相对位置不易表述的问题。提出安全椭圆模型和预测距离的概念来调整势场影响区域,加入基于Frenet坐标系下的参考线势场及动态速度势场改进斥力场函数,解决车辆在静态和动态下的避障问题。利用数学仿真软件进行仿真,以不同车速在直道和弯道场景中对所提出的路径规划方法进行静态和动态避障仿真实验。研究结果表明:不同车速下的前轮转角、横摆角速度均控制在较小范围内,改进算法可以有效解决传统人工势场法的缺陷,同时与快速搜索随机树(Rapidly-exploring Random Tree,RRT)算法相比,其在避障过程中路径规划计算效率提高了42.8%,改进算法优势明显。 展开更多
关键词 无人车 局部路径规划 人工势场法 Frenet坐标系
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