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基于空间约束的路径规划与视景仿真研究

作　者: 郭国强
导　师: 巩云鹏
学　校: 东北大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 自动导引小车(AGV) 路径规划 voronoi图 Vega 视景仿真 Hermite曲线
分类号: U116.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

在经济全球化和信息化的推动下,现代物流技术已经成为一个包含机械学、计算机科学、管理工程学和自动控制技术等多学科融合的技术,自动导引小车(AGV)正是现代物流技术的典型代表。作为物流配送过程中的关键问题之一,车辆路径规划问题(VRP)是指AGV按照某一性能指标(如距离、时间、能量等)搜索一条从起始点到目标点的最优或次优安全路径,因此它主要涉及的问题包括：如何利用已知AGV工作环境信息建立一个合理的模型,利用某种算法寻找一条从起始点到目标点的最优或者次优安全路径。本文首先对AGV的全局路径规划方法进行了研究。在工作环境已知的情况下,按照一定简化规则得到AGV运行环境的电子地图数据,从而对运行环境进行建模,再利用voronoi图对环境进行划分,最后采用dijkstra最优搜索算法为AGV寻找到一条威胁代价最小情况下的粗略最短路径。考虑到AGV的动力学约束,利用B样条曲线对粗略最短路径进行平滑和修正,得到最终全局优化路径。提出在利用二维仿真对路径规划算法进行理论验证的基础上,利用视景仿真(Scene Simulation)技术,模拟AGV运行的整个场景和AGV随时间变化的运行状态,从而对先期的理论算法进行检验和评估。在三维视景仿真软件Vega中,利用Hermite曲线对全局优化路径上的关键点进行拟合,构建平滑的曲线,从而根据曲线上点的位置坐标和欧拉角(x,y,z,h,p,r)来控制AGV的连续运动。对于路径规划与视景仿真的交互方法,本文对数据接口的定义,特殊效果、声效的模拟,人机交互的方法分别进行了详细的阐述,并对将Opengl引入到Vega开发环境的一些关键技术和方法进行了相关的研究。最后介绍了自动导引小车(AGV)运动视景仿真系统的体系结构和视景仿真的实验效果。仿真结果表明：自动导引小车(AGV)在按照全局路径规划求解得到的路径运动过程中,没有与障碍物等空间约束发生碰撞等事故,从而验证了全局路径规划算法的正确性。因此,利用视景仿真系统,能够使设计人员在虚拟场景中得到形象、直观、准确的信息,对基于voronoi图的路径规划理论和算法进行检验,从而提升了理论和算法在现实中的工程应用价值。

全文目录

中文摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-23
  1.1 本文研究背景与目的  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-21
    1.2.1 路径规划技术研究现状  12-20
    1.2.2 视景仿真技术研究现状  20-21
  1.3 本文研究内容与结构安排  21-23
第二章路径规划与视景仿真技术研究  23-40
  2.1 voronoi图的基本性质与应用  23-29
    2.1.1 voronoi图的定义与性质  23-26
    2.1.2 voronoi图的应用  26-29
  2.2 环境信息的建模技术  29-30
  2.3 视景仿真开发环境Multigen Vega  30-37
    2.3.1 Vega的基本组成及工作原理  30-31
    2.3.2 Vega中三维图形渲染的基本理论  31-33
    2.3.3 Vega类  33-34
    2.3.4 Vega API结构  34-37
  2.3.5 基于Vega的视景仿真系统创建过程  37-40
第三章基于voronoi图的AGV路径规划  40-57
  3.1 路径规划算法  41-52
    3.1.1 voronoi图的构造方法  41-45
    3.1.2 voronoi图顶点的确定及其邻接关系  45-52
    3.1.3 出发点和目标点的处理  52
  3.2 用dijkstra算法求取粗略最短路径  52-55
    3.2.1 路径代价的计算  52-53
    3.2.2 用dijkstra算法求取粗略最短路径  53-55
  3.3 路径的修正与平滑  55-57
第四章路径规划与视景仿真的交互方法  57-74
  4.1 视景仿真中用Hermite曲线控制AGV运动  57-62
    4.1.1 三次Hermite曲线及其特性  57-58
    4.1.2 在视景仿真中生成三次Hermite曲线的方法  58-59
    4.1.3 Vega中AGV姿态控制方法  59-61
    4.1.4 控制AGV沿Hermite曲线运动的算法  61-62
  4.2 数据接口的定义  62-63
  4.3 特殊效果、音效的模拟  63-66
    4.3.1 特殊效果的模拟  63-64
    4.3.2 音效的模拟  64-66
  4.4 将OpenGL引入Vega的关键技术与方法  66-71
    4.4.1 回调函数的调用  67-68
    4.4.2 场景融合  68-71
  4.5 人机交互过程  71-74
    4.5.1 多窗口模块人机交互  71-72
    4.5.2 场景视点人机交互  72-74
第五章系统应用  74-82
  5.1 系统的结构  74-79
    5.1.1 系统的结构框架设计  74-75
    5.1.2 系统的基本Vega程序  75-77
    5.1.3 面向分层结构和并行开发的工程  77-79
  5.2 仿真实验  79-82
    5.2.1 仿真演示环境  79-80
    5.2.2 仿真实验结果  80-82
第六章总结与展望  82-84
  6.1 本文的工作总结  82-83
  6.2 进一步研究设想  83-84
参考文献  84-89
致谢  89-90
作者从事科学研究和学习简历  90

基于空间约束的路径规划与视景仿真研究

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