基于改进A*与DWA算法的井下搬运机器人自主行走路径规划

煤炭科学技术
网络首发时间：2024-09-10 11:29:16

作者

张可琨鲍久圣艾俊伟袁晓明
单位

中国矿业大学机电工程学院中国煤炭科工集团太原研究院有限公司中国矿业大学（北京）机械与电气工程学院
摘要

针对井下搬运过程用工多且效率低等问题以及转运环节多、转运操作难、人工转运慢等困境，以搬运机器人为研究对象，通过仿真与试验进行井下巷道路径规划方法研究。首先，对井下转运工况进行特定的需求分析，确定井下“多转运点巷道”与“最后1km直达运输”等典型搬运场景，并分别建立自主行走策略，提升井下搬运机器人自主行走路径规划的适用性与合理性；其次，设计路径规划系统方案，对比分析常规路径规划算法的性能，分别选取A*算法与DWA算法作为井下搬运机器人的全局路径规划与局部路径规划的基本算法；然后，针对常规A*算法搜索效率低与规划路径平滑性不足的问题，依次使用指数优化法与二次B样条曲线法进行改进，同时对比分析改进A*算法的性能，仿真结果发现：改进A*算法在“最后1km直达运输”与“多转运点自主行走”等典型井下搬运场景的路径规划时间分别缩短了24.62%与22.02%，路径规划效率获得了提升，且生成路径的平滑性较好；接着，针对传统DWA算法存在运行时间与路径长度欠优的问题，统筹井下巷道速度限制、移动底盘驱动电机限制与搬运机器人制动距离限制等约束性要素构建预测路径评价函数，并衡量安全性与高效性引入障碍物评价子函数改进DWA算法，仿真结果发现：基于改进DWA算法的规划路径长度与自主行走时间分别缩短了31.27%与42.33%，有效提升了搬运机器人动态避障能力及路径规划性能；最后，搭建试验巷道场景与搬运机器人模型开展井下搬运机器人路径规划试验，试验结果表明：改进A*-DWA融合算法在多转运点巷道自主行走A→B、A→C以及最后1km直达运输等试验场景的路径规划效率分别提升了21.90%、18.57%、14.67%，行驶过程实现实时有效动态避障，规划路径安全高效且具有平滑性，能够符合井下“减人、提效、增安”的目标导向以及满足搬运机器人自主行走路径规划需求。
关键词

搬运机器人井下自主行走路径规划 A*算法改进 DWA算法改进
文章目录

0. 引言
1. 井下搬运机器人自主行走策略
1.1 井下典型搬运场景及行走规则
1.1.1 井下典型搬运场景
1.1.2 井下搬运行走规则
1.2 井下自主行走策略
1.2.1 多转运点自主行走策略
1.2.2 最后1km自主行走策略
2. 井下搬运机器人自主行走路径规划算法研究
2.1 自主行走路径规划系统方案设计
2.2 路径规划阐述及算法方案设计
2.2.1 路径规划阐述
2.2.2 路径规划算法方案设计
2.3 改进A*算法下的全局路径规划
2.3.1 常规A*算法原理
2.3.2 常规A*算法井下应用的局限性
2.3.3 A*算法的搜索效率及路径平滑性改进
2.3.4 改进A*算法性能分析
2.3.5 基于改进A*算法的全局路径规划仿真
2.4 改进DWA算法下的局部路径规划
2.4.1 搬运机器人路径模型设定
2.4.2 约束性条件分析
2.4.3 评价函数建立
2.4.4 局部路径规划仿真
3. 模拟井下巷道内搬运机器人路径规划试验
3.1 试验巷道场景搭建
3.2 搬运机器人路径规划试验
4. 结论
引用格式

张可琨,鲍久圣,艾俊伟,等.基于改进A*与DWA算法的井下搬运机器人自主行走路径规划[J/OL].煤炭科学技术,1-17[2024-09-10].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2402.td.20240910.0900.001.html.
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