基于改進(jìn)的RRT*算法的帶電作業(yè)機(jī)器人避障路徑規(guī)劃

摘要：目前，現(xiàn)場作業(yè)中帶電作業(yè)機(jī)器人有效規(guī)避各種障礙物的能力仍有很大提升空間。為彌補(bǔ)當(dāng)前不足，提出基于改進(jìn)的快速搜索隨機(jī)樹（rapidly-exploring random tree star，RRT*）算法的帶電作業(yè)機(jī)器人避障路徑規(guī)劃方法，利用自適應(yīng)步長提高路徑規(guī)劃的效率，采用3 次準(zhǔn)均勻B 樣條曲線對規(guī)劃路徑進(jìn)行平滑。實驗結(jié)果表明，利用改進(jìn)的方法得到最優(yōu)路徑成本更低，路徑曲線更平滑。該方法的優(yōu)越性能與高效路徑規(guī)劃策略為復(fù)雜環(huán)境下的帶電作業(yè)機(jī)器人巡檢提供了更可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：RRT*；電力；帶電作業(yè)；機(jī)器人；路徑規(guī)劃

中圖分類號：TM715；TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，帶電作業(yè)機(jī)器人在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大[1-2]。特別是在電力系統(tǒng)維護(hù)、高壓線巡檢等需要對帶電設(shè)備進(jìn)行操作的場景中，帶電作業(yè)機(jī)器人的作用日益凸顯。這些復(fù)雜的工作環(huán)境包括高壓電場、狹窄空間和具有形態(tài)各異障礙物的環(huán)境，給帶電作業(yè)機(jī)器人的操作帶來了巨大挑戰(zhàn)。在這些復(fù)雜環(huán)境中，帶電作業(yè)機(jī)器人必須有效規(guī)避各種障礙物，以確保任務(wù)的順利完成和操作人員的安全。因此，路徑規(guī)劃成為帶電作業(yè)機(jī)器人技術(shù)中的一個重要挑戰(zhàn)。有效的路徑規(guī)劃不僅可以提高帶電作業(yè)機(jī)器人的工作效率，還可以最大限度地降低意外事故發(fā)生的概率，保障操作人員和設(shè)備的安全。因此，如何在復(fù)雜的電力環(huán)境中實現(xiàn)高效、安全的路徑規(guī)劃，成為當(dāng)前帶電作業(yè)機(jī)器人研究和應(yīng)用中的重要課題[3]。

傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃方法因受限于計算復(fù)雜度和搜索效率等問題，在帶電作業(yè)機(jī)器人的實際應(yīng)用中表現(xiàn)出一定的局限性。這些方法往往需要耗費(fèi)大量的計算資源和時間，無法在實時性要求較高的環(huán)境中實現(xiàn)快速路徑規(guī)劃。為了克服這些挑戰(zhàn)，改進(jìn)的快速搜索隨機(jī)樹（rapidly-exploring random tree star，RRT*）算法被廣泛應(yīng)用于路徑規(guī)劃領(lǐng)域。RRT* 算法通過在配置空間中隨機(jī)采樣，并使用啟發(fā)式搜索策略來快速探索潛在路徑，并利用動態(tài)規(guī)劃的思想對路徑進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得最優(yōu)路徑。與傳統(tǒng)方法相比，RRT* 算法具有更高的搜索效率和更好的路徑優(yōu)化能力，能夠在復(fù)雜環(huán)境中快速生成安全、有效的路徑規(guī)劃方案[4-6]。

本文旨在探討基于改進(jìn)的RRT* 算法在帶電作業(yè)機(jī)器人避障路徑規(guī)劃中的應(yīng)用，以解決傳統(tǒng)方法中存在的問題。通過深入研究RRT* 算法的原理和優(yōu)勢特點，結(jié)合帶電作業(yè)機(jī)器人的特殊需求和環(huán)境特性，探索如何有效地應(yīng)用改進(jìn)的RRT* 算法，提高機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的路徑規(guī)劃能力，從而為帶電作業(yè)機(jī)器人的安全運(yùn)行和高效作業(yè)提供技術(shù)支持和解決方案。

1 帶電作業(yè)機(jī)器人避障路徑規(guī)劃的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

帶電作業(yè)機(jī)器人在電力系統(tǒng)維護(hù)、高壓線巡檢等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，然而，其避障路徑規(guī)劃正面臨一系列挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃方法往往難以適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境，這些方法可能會因為環(huán)境中存在的障礙物、不可預(yù)測的電力設(shè)備狀態(tài)變化或者工作區(qū)域的動態(tài)性而導(dǎo)致規(guī)劃的路徑不可行或不安全。此外，帶電作業(yè)機(jī)器人需要在高壓電場中操作，這對其避障路徑規(guī)劃提出了更高的要求，以確保操作人員的安全[7]。

帶電作業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時，必須能夠有效地規(guī)避各種障礙物，以確保任務(wù)的順利完成和操作人員的安全，因此面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，電力設(shè)備周圍的工作環(huán)境通常復(fù)雜多變，存在各種障礙物，如電纜、絕緣子、設(shè)備結(jié)構(gòu)等。這些障礙物的位置、形狀和特性隨著時間和環(huán)境的變化而變化，給路徑規(guī)劃帶來了極大的不確定性；其次，帶電作業(yè)機(jī)器人需要在高壓電場中操作，須考慮電磁干擾、高壓電場等因素，以避免機(jī)器人受到損壞或者操作人員暴露于危險環(huán)境；最后，路徑規(guī)劃算法需要具備足夠的實時性和高效性。機(jī)器人可能需要在復(fù)雜環(huán)境中實時規(guī)劃避障路徑，因此，算法的計算速度和路徑優(yōu)化能力顯得尤為關(guān)鍵。同時，算法必須能夠在不同工作場景下靈活應(yīng)對，對障礙物采取適當(dāng)?shù)谋茏尣呗浴?/p>

2 RRT*算法原理

RRT* 算法是一種用于路徑規(guī)劃的先進(jìn)算法，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的RRT 算法相比，RRT*算法在探索樹的建立和路徑優(yōu)化方面更為高效和精確。通過引入動態(tài)規(guī)劃的思想，RRT* 算法能夠不斷優(yōu)化已有路徑，使得機(jī)器人或其他移動體能夠在復(fù)雜環(huán)境中更加靈活和智能地規(guī)劃路徑。該算法還能夠在規(guī)劃過程中綜合考慮路徑的安全性、最優(yōu)性和可行性，從而為機(jī)器人的移動提供了更為可靠和有效的指導(dǎo)。由于其優(yōu)良的性能特點，RRT* 算法在自主導(dǎo)航、無人駕駛等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并成為當(dāng)前路徑規(guī)劃領(lǐng)域的研究熱點之一。

與RRT 算法相似，RRT* 算法從起始點開始，通過隨機(jī)采樣和節(jié)點擴(kuò)展的方式逐步構(gòu)建探索樹。每個節(jié)點代表機(jī)器人在環(huán)境中的一個狀態(tài)，每條邊表示機(jī)器人從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的運(yùn)動。在每次迭代中，首先，RRT* 算法通過隨機(jī)采樣在狀態(tài)空間中選擇目標(biāo)點，以保證樹的均勻探索。其次，RRT* 算法會在當(dāng)前樹中找到距離最近的節(jié)點，作為擴(kuò)展節(jié)點，以確保在已有路徑信息的基礎(chǔ)上擴(kuò)展搜索。通過從擴(kuò)展節(jié)點向目標(biāo)點方向運(yùn)動，生成一個新的節(jié)點。新節(jié)點的生成需經(jīng)過碰撞檢測，以確保路徑的可行性。與RRT 算法有所不同，RRT* 算法在新節(jié)點生成后，會考慮是否通過重新連接樹上的節(jié)點來優(yōu)化路徑。通過計算經(jīng)過新節(jié)點的代價，RRT* 算法可以在搜索過程中動態(tài)地優(yōu)化樹的結(jié)構(gòu)，使得路徑更加優(yōu)化和有效。當(dāng)目標(biāo)點被添加到樹中，RRT* 算法停止搜索，得到一條優(yōu)化后的路徑，如圖1 所示。

3 RRT*算法的改進(jìn)策略

3.1 步長自適應(yīng)

RRT* 算法采用了固定步長的策略，固定步長的選擇會影響路徑的質(zhì)量和搜索效率。較小的步長有更加精細(xì)的路徑，但搜索過程更耗時；較大的步長可以加快搜索速度，但可能導(dǎo)致路徑質(zhì)量下降。本文提出了一種自適應(yīng)步長策略，默認(rèn)有碰撞物，旨在確定拓展樹生長方向后，根據(jù)子節(jié)點A、父節(jié)點C、目標(biāo)點B與障礙物之間的關(guān)系自動調(diào)整步長。該策略的目標(biāo)是提高拓展樹的生長速度，減少路徑規(guī)劃計算時間，同時保持路徑的精細(xì)度，如圖2 所示。其中，子節(jié)點A 代表了在搜索過程中隨機(jī)選擇的一個點，父節(jié)點C 是當(dāng)前節(jié)點A 的父節(jié)點，目標(biāo)點B 是路徑規(guī)劃的目標(biāo)，θ 為三角形內(nèi)角，即目標(biāo)B和子節(jié)點A之間的偏移量，當(dāng)角度大于90° 時，采用較小步長；當(dāng)角度小于90° 時，采用較大步長。

3.2 路徑優(yōu)化處理

貝塞爾曲線通常用于路徑優(yōu)化，但貝塞爾曲線階數(shù)或度數(shù)限制了其在表示一些復(fù)雜曲線時的靈活性。較低次數(shù)的貝塞爾曲線可能無法精確擬合某些復(fù)雜形狀，從而導(dǎo)致路徑不準(zhǔn)確。為解決這一問題，本文采用了3 次B 樣條曲線進(jìn)行路徑優(yōu)化。相較于貝塞爾曲線，B 樣條曲線在連接相鄰控制點時具有更好的平滑性，能夠更準(zhǔn)確地擬合各種形狀，從而降低路徑曲線的峰谷值，提高路徑的連續(xù)性和穩(wěn)定性。3 次B 樣條曲線優(yōu)化圖如圖3 所示。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證改進(jìn)算法的有效性， 本文利用MATLAB 軟件分別在二維環(huán)境中對傳統(tǒng)的RRT* 算法和改進(jìn)的RRT* 算法進(jìn)行路徑規(guī)劃和仿真實驗，每種算法進(jìn)行40 次實驗。將改進(jìn)的RRT* 算法與傳統(tǒng)的RRT* 算法進(jìn)行比較分析可知，改進(jìn)的RRT*算法在最優(yōu)規(guī)劃路徑的隨機(jī)樹擴(kuò)展規(guī)模上比傳統(tǒng)的RRT* 算法更優(yōu)。具體來說，改進(jìn)的RRT* 隨機(jī)樹的節(jié)點數(shù)較少，生成的路徑也更加平滑，這對于帶電作業(yè)機(jī)器人的實際應(yīng)用尤為重要，因為路徑的平滑性和安全性能夠保障操作人員和設(shè)備的安全。實驗表明，改進(jìn)的RRT* 算法能夠更好地滿足實際應(yīng)用中的安全性和高效性要求。

5 結(jié)論

在電力系統(tǒng)維護(hù)、高壓線巡檢等領(lǐng)域，帶電作業(yè)機(jī)器人的避障路徑規(guī)劃是確保任務(wù)安全順利執(zhí)行的關(guān)鍵一環(huán)。本文提出一種基于改進(jìn)的RRT* 算法的帶電作業(yè)機(jī)器人避障路徑規(guī)劃方法，并且通過引入步長自適應(yīng)和路徑優(yōu)化處理，對傳統(tǒng)的RRT* 算法進(jìn)行改進(jìn)。實驗結(jié)果表明，該算法在二維環(huán)境下表現(xiàn)出良好的性能，相較于傳統(tǒng)的RRT* 算法，其能夠更加高效地規(guī)劃出平滑且安全的路徑，還能夠有效應(yīng)對帶電作業(yè)機(jī)器人避障路徑規(guī)劃中的挑戰(zhàn)。未來，將探索該算法在更復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用，并持續(xù)優(yōu)化算法性能，以滿足不斷發(fā)展的實際需求。

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