路径规划仿真优化技巧分享

路径规划实验是在一个给定的环境中，为机器人设计出一条能够以正确姿态顺利到达目标工位又不会碰到障碍物的循迹路线。因此在路线设计完成后，机器人就是按照该路径进行循迹的。

本实验选用一个已知的厂房环境。经过网格划分、障碍物定位、合适路径搜索和曲线拟合一系列过程，根据机器人的几何约束、运动约束条件得到满足要求的路线。最终设计的路线如图7-20所示，这是由贝塞尔曲线拟合生成的，在实际应用过程中无法直接布置这样的曲线，需要分段画出路线来实现。应尽量以很小的一段曲线拼接来减少由于曲率不连续造成的运动突变的情况。

图7-15是根据厂房的实际布置按照比例绘制出的，所有的障碍物在图中都用阴影块表示，白色的空白处都是机器人可以行走的区域。

图7-15　厂房布局图

图7-16将建立的地图等距离地划分成了若干个区域，网格的大小是根据机器人的尺寸确定的。这样划分的目的是保证机器人能够无碰撞地穿梭于整个工作环境中。

图7-17将网格中的节点一次判断为无障碍物点和有障碍物点，机器人在将要到达节点时都会判断，发现是障碍物点时就会转向避开。是否有障碍物的判断标准参照之前7.1.1所讨论的定义。

图7-16　根据小车尺寸进行区域网格划分

图7-17　转换为机器人可用的搜索地图(www.xing528.com)

最终路径搜索在软件中的实现过程如图7-18、图7-19、图7-20所示。蓝点就代表了图7-17中的无障碍物节点，黑色就是有障碍物节点。机器人从起始点出发搜索路线到达最终位置，图中的实线就表示行进路线。图7-19显示了机器人已经搜索到了满足无碰撞和机器人姿态要求的路线，在图7-20中又进一步讨论机器人路径跟踪的通过性约束对路线的平滑性和曲率等参数的要求作了优化，得到最终规划出的曲线。

图7-18　机器人开始搜索

图7-19　机器人搜索路线完成

图7-20　路线进行曲线拟合

仿真的结果实现了全方位移动机器人在一个已知的特定环境中避开障碍物，以正确的姿态到达目标位置的功能，最终拟合的曲线也是连续光滑的，机器人的运动速度、加速度都是连续的。

经过机器人的实际运动，设计的这条路线是符合运动连续性的条件的，没有碰撞障碍物的合理路线。

本章对Mecanum全方位移动机器人的路径规划问题进行了讨论，全方位移动机器人具有较强的运动机动性，在路径规划时可以有更为宽松和多样的选择。通过设计机器人路径规划算法，实现路径规划的曲线拟合；分析讨论了圆弧拟合、贝塞尔曲线拟合、Clothoid曲线拟合实现Mecanum轮全方位移动机器人的路径规划方法。本章还讨论了路径规划中岔路的标记和识别问题，并对路径规划的曲线拟合方法进行了仿真分析，为其工程应用奠定了基础。