混合速度障碍法及其在移动机器人动态运动规划中的应用研究

Collision analysis method based on the principles of velocity obstacle, is a new direction of the study of mobile robots motion planning in the dynamic complex environments.This project 1) finds the problem of motion "oscillation" and proposes an interactive strategy for multi-robot coordination through the deep analysis of the velocity obstacle method; 2) will design adaptive modulation method to the size of the obstacle by imitatiton the behavior of line-of-sight adjustment of human with the computation of collision time and collision distance; 3) mapping the information in velocity variation space, transforms the motion planning problem into a multi-objective optimization problem, making planning in the multi-step reachable velocity window, gets the desired velocity command using a quick search method and with optimal value of the objective function satisfied all constraints. A series of the new ideas and new methods of these solutions for the problems of motion "oscillation", "conservative" collision avoidance, "short-sighted" planning and the "optimal selection" of the desired velocity, will form a complete hybrid velocity obstacle theory. And establish the relationship between motion constraints of the wheeled differential-drive mobile robot, and the analysis methods of information uncertainty for practical application. This project not only has important theoretical value to the development of the velocity obstacle method, at the same time has practical guidance significance to promote the application of the mobile robots in various fields, especially for the autonomous navigation of unmanned vehicles, unmanned surface vehicles and all kinds of service robots.

基于速度障碍原理的碰撞分析方法，是研究动态复杂环境下移动机器人运动规划的一个新方向。本项目通过对速度障碍法的深入分析，发现其运动"摆动 "问题根源所在，提出用于多机器人协调的互动策略；模仿人的视距调整行为，综合计算碰撞时间和碰撞距离建立对障碍物大小的自适应调整方法；在速度变化空间中进行信息映射，将运动规划转化为一种多目标优化问题，在多步可达速度窗口(可以确保安全并克服规划的"短视"性)中，采用快速搜索获得使目标函数值最优且满足所有约束条件的速度指令。这些解决运动"摆动"、避碰"保守"、规划"短视"、速度"优化选择"问题的一系列新思路和方法，将形成一种完善的混合速度障碍法理论；并针对实际应用，建立机器人运动约束关系的分析方法与信息不确定性的处理方法。这不仅对速度障碍法的发展具有重要理论意义，同时对促进各领域移动机器人的应用开发，特别是对无人车、无人艇和服务机器人的自主导航具有切实的指导作用。

运动规划是移动机器人自主导航理论研究中的基础问题，基于速度障碍原理的方法，是当前研究动态复杂环境下移动机器人与多Agent系统运动规划的一个新方向，在无人驾驶汽车和水上无人艇安全导航中发挥了重要作用。.项目研究的主要内容有：1) 建立相对碰撞区域及对应的速度障碍构建方法，在常规速度障碍法避碰准则基础上，研究多机器人避碰和协调的互动速度障碍法；2) 为消除运动规划中的保守性，研究一种仿人的自适应视距调整方法，实现对运动障碍物大小的动态调整；3) 建立一种速度变化空间，研究位置空间、速度空间与速度变化空间下的信息映射方法，进行多步速度可达窗口中的长远规划；4)考虑避碰以及趋向目标运动的快速与平稳性，把运动规划问题转化一种约束条件下的多目标优化问题进行研究；5) 对机器人的运动和动力约束关系进行分析和建模、对传感器检测信息的不确定性进行处理。另外，根据项目评审时专家提出的建议，对机器人的定位和障碍感知问题进行了研究，包括SLAM、视觉定位和深度学习等。.项目从多机器人的互动协调、障碍物大小的自适应调整、基于多步速度可达窗口的规划与基于多目标优化的速度选择，研究得到了一系列新的思想、理论和方法，形成了一种更具一般性与系统性的混合速度障碍法理论体系，解决了运动规划方法中的“摆动”、“保守”、“短视”以及速度的多目标优化选择问题。在应用研究中，建立了综合软件仿真平台、可靠的定位和信息处理方法，在多移动机器人实验平台和工业机器人中得到了验证，对未来各种服务机器人与无人车的安全导航具有很好的应用价值。.项目发表SCI论文4篇（JCR二区2篇，JCR三区1篇，JCR四区1篇），EI期刊论文2篇（《自动化学报》1篇），EI会议论文3篇（投稿2篇）；申请和受理国家发明专利2项；培养了青年教师2人，培养了硕士生4人、协助培养了博士生1人。