自动导向小车路径规划算法的研究及仿真

西安理工大学硕士学位论文自动导向小车路径规划算法的研究及仿真姓名：王会丽申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：傅卫平20020101摘要自动导向小车路径规划算法的研究及仿真＋学科：机械制造及其自动化作者姓名：王会丽导师姓名：傅卫平（教授）答辩日期：

作者签名：导师签名：主各丽

摘要ＡＧＶ路释规划是智能机器人的重要研究方向。本文在概述了当前机器人路释规划的一些主要研究方法基础上，引出了本文的路释规划系统和算法。首先，本文对自动导向小车的结构组成和功能作了简要的介纠．井以常用的二轮结构为例，进行了下体方位的计算。其次，通过对常用构几种机器人路释规划ＪＪ法的优缺点分析。确定了本文将要采川的基本方法：人工势场法。本文在件通人Ｊ势场法的基础上，对其势场函数作了Ｉ＝！ｌ［进，井对处了二静态环境下的小１ｉ的路径规划进｛Ｊ：了计葬机仿真，通过仿真对新ＩＲ势场法的规划效果进行了对比，证实了新势场法的有效性。第三，针对存在移动障碍物或多个小下的动态环境．本文采ｔ｜：｜｛实时最小方芹预洲算法（ＬＭＳＥ）米预测移动障础物ｒ个ｌ付别的何嚣信息，然后再利川静态环境Ｆ的小车路径规划方法，对小下进行路径规划。最Ｊｌ亓，本文对路径规划的进一步研究进行了探讨，土要对动态路羟规划提…了ｎ己的设想。

关键词：臼动导向小车、路径规划、避障、人Ｉ：势场法、势场函数

＋木研究得到两安交通大学机械制造系统Ｔ程闻咏币点实验室幕仓的磷肋ＩＡＢＳＴＲＡＣＴＴＨＥＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＯＮＰＡＴＨ

ＰＬＡＮＮＩＮＧ～ＩＥ丌ＨＯＤＯＦＡＧＶＣＡＮＤＩＤ／虹甚：Ⅵ狐ＮＧＨＬ

ＳＵＰＥＲＶＩＳＯＲ：ＦＵＷＰ（Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ）

ＳＩＧＮＡＴＩ爪Ｅ：ＳＩＧＮＡＴＩ瓜Ｅ：ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅａｕｔｏｍａｔｅｄｇｕｉｄｅｄｖｅｈｉｃｌｅ（ＡＧＶ）ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｉｓａｍａｉｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ

ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｒｏｂｏｔｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ＇ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄａｒｉｔｈｍｅｔｉｃａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｏｎ

ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇｃｏｍｍｏｎｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ．

Ｆｉｒｓｔｌｙ，ＡＧＶ’ｆｒａｍｅｆｏｒｍａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｒｉｅｆｌｙ．ＴｈｅｂｏｄｙｗｏｒｋｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｃｏｍｍｏｎｔｈｒｅｅｗｈｅｅｌｆｒａｍｅＩｎｔｈｅｎｅｘｔｐｌａｃｅ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ

ｏｆｓｏｍｅ

ｃｏｍｍｏｎｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｂｏｔａｎｄａｄｏｐｔｓｔｈｅｂａｓｉｃｍｅｔｈｏｄ：ｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄ．Ｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｌｄｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｐａｐｅｒｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｏｌｄｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ，

ｍａｋｅｓｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｏｆＡＧＶｏｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｃｓｔａｔｅａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔｓｔｈｅｐｌａｎｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｎｅｗａｎｄｏｌｄｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｉｎａｌｌｕｓｉｏｎｔｏｄｙｎａｍｉｃｓｔａｔｅｏｆｍｏｖｉｎｇｏｂｓｔａｃｌｅｏｒｍｕｌｔｉ・ｖｅｈｉｃｌｅｔｈｅｐａｐｅｒｕｓｅｓ

ＬＭＳＥｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｅｘｔｔｉｍｅｏｆｔｈｅｍｏｖｉｎｇｏｂｓｔａｃｌｅ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＡＧＶ

ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｓｔａｔｉｃｓｔａｔｅｐｌａｎｓｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｐａｔｈ．

Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｅｐｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｍｙｓｅｌｆ

ｏｐｉｎｉｏｎａｂｏｕｔｄｙｎａｍｉｃｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＡＧｖ’ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇ，ｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄｉｎｇ，ｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄ，ｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ

Ｚ第一章绪论１．绪论１．１课题研究的背景及意义１．１．１课题研究的背景２ｌ世纪制造业将进入一个新阶段，敏捷制造将成为企业的主导模式。能否抓住市场机遇快速开发出新产品将是企业赢得竞争的主要手段。要减小生产成本对生产批量的依赖，就要发展敏捷制造装备。敏捷制造装备的可编程、可重组和快速响应能力使得在进行小批量生产时，可实现接近中、大批量生产的效率。由于机器人具有自主规划、可编程、可协调作业和基于传感器控制等特点，它将成为可重组的敏捷制造生产装备及系统的重要组成部分，为传统制造企业向敏捷制造企业跨越发展提供重要的技术支持。自动导向小车（ＡｕｔｏｍａｔｅｄＧｕｉｄｅｄＶｅｈｉｃｌｅ简称ＡＧＶ）是移动机器人的一种，是现代制造企业物流系统中的重要设备，主要用来储运各类物料，为系统柔性化、集成化、高效运行提供了重要保证。ＡＧＶ主要有两类形式，一种是有轨式ＡＧＶ，它的运行路径是固定的、且有轨道，故导引技术相对简单；另一种是无轨式ＡＧｖ，由于没有轨道，它为ＡＧＶ自由运行提供了最大可能，但由于技术限制，ＡＧＶ沿任意路径自由运行仍是一个待解决的技术难题。在以往的生产线上，导向式ＡＧＶ是人们经常采用的方式，有导轨式、磁导引式及激光导引式等方法。这些方法都需要预先规划好ＡＧＶ的运行路线，而且生产车间内的装置不能随意移动。随着生产车问智能化的提高，导向式ＡＧＶ明显降低了ＡＧＶ的柔性。因此，非导向式ＡＧＶ将成为敏捷制造物流系统中的主要选择。在非导向式ＡＧＶ系统中，ＡＧＶ的运行路径不需要由附加设备决定，而且当车间的布局变化后，只要及时改变规划系统的软件参数即可满足路径规划要求。１．１．２课题研究的意义目前，在我国某些汽车、烟草行业，ＡＧＶ己投入使用，并取得了良好的经济效益。但从使用形式来看，大都采用导向方式属于线路导向范畴的西安理工大学硕士论文电磁导引ＡＧＶ，非线路自主导向的ＡＧＶ由于上述诸多问题未能完全解决，还没有达到实用。因此，进行这项研究，不仅对敏捷物流设备的研制和应用有现实的工程意义，而且对移动机器人路径规划有重要的理论意义。１．２自动导向小车的发展概况１．２．１自动导向小车的定义及特点根据美国物流协会定义【１１’１２】，自动导向小车是指装备有电磁或光学自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有自动编程与停车选择装置，安全保护以及各种移载功能的运输小车。自动导向小车是现代物流系统的关键装备。它是以电池为动力，装有非接触导向装置，独立寻址系统的无人驾驶自动车。ＡＧＶＳ是自动导引车系统，它由若干辆沿导引路径行驶，独立运行的ＡＧＶ组成。ＡＧＶＳ在计算机的交通管制下有条不紊地运行，并通过物流系统软件而集成于整个工厂的生产监控与管理系统中。作为一种物流输送设备，与传统的输送设备相比，ＡＧＶ有以下主要特点：ｌ行线路设定灵活ＡＧＶ的运行线路可以由地面管理站来设定，也可以由车上的输入键盘等设定，既可以沿某一环路运行，也可以在两个或多个站点之间往复行驶。由于运行线路是可以设定的，所以在输送不同的产品情况下，无需改变输送设备或厂房设各。２柔性高车的发送和调度一改以往的其它输送设备的固定运行模式，完全由地面站灵活调配。３线路容易变更更改线路只需改变导引线即可，在无线路导引方式中，只改变软件程序即可完成。增减线路和车辆也很方便。这些对于迅速调整产业结构和产品的更新换代都是非常有利的。４具有检知和避开障碍物的机能ＡＧＶ车体装有红外或超声探测装置，遇障碍或两车接近时自动报警并停车。５智能化具有自动探索最近的路径等机能。６可沿多条路径行进运行不再局限于一个或几个回路，而是整个系统内的各条线路。

２第一章绪论７与计算机控制的全自动化生产装配系统有机地相连地面站由于采用了计算机管理，所以很方便地提供和自动存／取、数控设备、ＦＭＳ、自动装配等系统的接口。８可向多个方向行进除具有前进、后退、侧行、斜行等功能外，还可以以车体平面内的一点为轴线旋转。

１．２．２自动导向小车的发展简史世界上第一台ＡＧＶ是美国Ｂａｓｒｒｅｔｔ电子公司于２０世纪５０年代开发成功的（２Ｊ。它是一种牵引式小车系统，小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶，并具有一个以真空管技术为基础的控制器。到了６０年代和７０年代初’除Ｂａｓｒｒｅｔｔ公司以外，ＷＥＢＢ和ＣＬＡＲＫ公司在ＡＧＶ市场中也占有相当的份额。在这个时期，欧洲的ＡＧＶ技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盘搬运促进了ＡＧＶ的发展。欧洲的主要制造厂家有Ｓｃｈｉｎｄｌｅｒ—Ｄｉｇｉｔｒｏｎ、Ｗａｇｎｅｒ、ＨＪＣ、ＡＣＳ、ＢＴ、ＣＦＣ、ＦＡＴＡ、Ｓａｘｂｙ、Ｄｅｎｆｏｒｄ和Ｂｌｅｃｈｅｒｔ等。７０年代中，欧洲约装备了５２０个ＡＧＶ系统，共有４８００台小车，１９８５年发展到１００００台左右，为美、欧、日之首。其应用领域分布为：汽车工业（５７％），柔性制造系统ＦＭＳ（８％）和柔性装配系统ＦＡＳ（“％）。欧洲ＡＧＶ技术于８０年代初通过在美国的欧洲公司以许可证与合资经营的方式转移到美国。芝加哥的分发中心从欧洲引进直接由计算机控制的ＡＧＶＳ，１９８１年Ｊｏｈｎ公司将ＡＧＶ连接到ＡＳ／ＲＳ以提供在制造过程中物料自动输送和跟踪。１９８４年，通用汽车公司便成为ＡＧＶ的最大用户，１９８６年已达１４０７台（包括牵引式小车。叉式小车和单元装载小车），１９８７年又新增家１６６２台。美国各公司在欧洲技术的基础上将ＡＧＶ发展到更为先进的水平。他们采用更先进的计算机控制系统（可联网于ＦＭＳ或ＣＩＭＳ），运输量更大，移载时间更短，具有在线充电功能，以便２４小时运行，小车和控制器可靠性更高。此时美国的ＡＧＶ生产厂商从２３家（１９８３年）骤增至７４家（１９８５年）。日本的第一家ＡＧＶ工厂于１９６６