基于RRT-Connect算法的机械臂路径规划方法

本发明涉及路径规划技术，具体涉及一种基rrt-connect算法的机械臂路径规划方法。

背景技术：

1、路径规划技术于20世纪70年代被提出，前前后后已经有各种算法被提出且应用到路径规划中。路径规划负责在笛卡尔空间中得到一系列路径点，而不考虑这些路径点与时间的关系，也就是速度、加速度等。

2、目前常用的路径规划算法主要包括三类，基于搜索的路径规划：dijkstra算法、a*算法、人工势场法等；基于采样的路径规划：prm算法和rrt算法；智能仿生路径规划：遗产算法、神经网络算法、蚁群算法等。

3、dijkstra算法的基本思想是贪心思想，主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到目标点为止，显然dijkstra算法的缺点是扩展的节点太多，效率较为低下；a*算法是将dijkstra算法与广度优先搜索算法(bfs)二者结合而成，但不适合复杂的动态环境中搜索；人工势场法是一种基于虚拟力场的局部路径规划算法，但其存在最大的问题是容易陷入局部最优。总而言之，基于搜索的算法是将图像划分为一定数量的网格，在网格中搜索寻找路径，其复杂度较高，不太适合三维空间内机械臂路径规划。

4、智能仿生路径规划算法运算量较大、规划时间长、占用内存大，不适合机械臂的高自由度路径规划。采样算法prm算法中，采样点的数量和采样的最大距离决定了路径规划的成功与否，当采样点数量较少时，可能导致路径规划失败，当采样点增加时，又会降低搜索效率，不适合机械臂的路径规划。于是，rrt及各种变种算法被广泛运用在机械臂上。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基rrt-connect算法的机械臂路径规划方法，解决了传统采样算法采样节点具有很大盲目性的问题，减少了迭代次数，缩短了搜索路径。

2、实现本发明的技术解决方案为：一种基rrt-connect算法的机械臂路径规划方法，包括以下步骤：

3、步骤1：在起始点和目标点所构成的自由空间内，随机生成一个中间点，分别在起点和目标点、中间点和目标点之间同时进行rrt-connect路径搜索；

4、步骤2：动态调整采样区域的方向，以一定的概率直接把目标点作为采样节点；

5、步骤3：动态调整采样步长，加入约束因子，同时在节点扩展中加入贪心策略；

6、步骤4：搜索完成后，利用路径优化方法，去除随机树中产生的冗余节点；

7、步骤5：在优化后的路径基础上，使用基于最小二乘法的b样条曲线进行平滑处理。

8、与现有技术相比，本发明的显著创新点为：

9、(1)本发明的技术方案约束产生的采样节点，使得产生的节点具有目的性，能更快收敛到目标点；

10、(2)本发明的技术方案创新性的加入各种策略，包括动态节点策略、动态步长策略、贪心策略等，提高了随机树扩展的效率；

11、(3)本发明的技术方案加入路径优化方法，去除搜索路径中的冗余节点；

12、(4)本发明的技术方案对路径进行平滑处理，采用基于最小二乘法的b样条曲线得到一条平滑的无碰撞曲线；

13、下面结合附图与具体实施方式进行进一步的说明。

技术特征：

1.一种基rrt-connect算法的机械臂路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于约束rrt-connect算法的机械臂路径规划的方法，其特征在于，所述动态调整采样区域的方向，以一定的概率直接把目标点作为采样节点具体包括步骤：

3.根据权利要求2所述基于约束rrt-connect算法的机械臂路径规划的方法，其特征在于，所述概率为：

4.根据权利要求1所述基于约束rrt-connect算法的机械臂路径规划的方法，其特征在于，所述动态调整采样步长具体为：越靠经目标点且搜索空间开阔的位置，树的步长越小；越远离目标点且障碍物越多的位置，树的步长越长。

5.根据权利要求1所述基于约束rrt-connect算法的机械臂路径规划的方法，其特征在于，所述步长为：

6.根据权利要求5所述基于约束rrt-connect算法的机械臂路径规划的方法，其特征在于，所述贪心策略为：当n1＞2*n2时，默认节点处于开阔区域，直接令xrand＝xgoal，步长取动态的step_l，不断沿着目标点方向生长，直到遇到障碍物为止。

7.根据权利要求1所述基于约束rrt-connect算法的机械臂路径规划的方法，其特征在于，所述路径搜索完成后，利用路径优化方法，去除随机树中产生的冗余节点具体包括：

8.根据权利要求7所述基于约束rrt-connect算法的机械臂路径规划的方法，其特征在于，对于步骤4-1中线段si-3si-2和线段si-1si相交的条件满足：

9.根据权利要求7所述基于约束rrt-connect算法的机械臂路径规划的方法，其特征在于，所述步骤4-2具体为：

10.根据权利要求1所述基于约束rrt-connect算法的机械臂路径规划的方法，所述拟合曲线为：

技术总结
本发明公开了一种基RRT‑Connect算法的机械臂路径规划方法，包括：在起始点和终点所构成的自由空间内，随机生成一个中间点，分别在起点、中间点和终点之间同时开始进行路径搜索，生成随机树，加快收敛的速度；动态调整采样区域的方向，从而约束随机树扩展的方向，减少采样节点的盲目性；然后动态调整采样步长，让随机树及时跳出局部极小值，提高随机树的搜索效率，同时利用贪心策略，加快随机树在开阔区域的搜索速度；利用路径优化方法，去除随机树中产生的冗余节点；在优化后路径基础上，使用基于最小二乘法的B样条曲线进行平滑处理，得到一条接近原路径的无碰撞平滑曲线，减少机械臂的抖振，提高了机械臂的规划效率。

技术研发人员：孙瑜,姚文广,李新彤,陈祥龙,黄江州,孙艺铭,李晨星
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13