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局部路徑規(guī)劃處理動態(tài)環(huán)境中的實時調(diào)整。當全局路徑因突發(fā)障礙物(如突然出現(xiàn)的行人)不可行時,局部規(guī)劃算法需在全局路徑的引導下,實時生成避障子路徑。動態(tài)窗口法(DWA) 是主流方案:通過模擬機器人在一定速度范圍內(nèi)的運動軌跡(考慮加速度、最大速度約束),評估每條軌跡的安全性(是否碰撞)、目標性(是否靠近全局路徑)和舒適性(速度變化率),選擇綜合評分最高的軌跡執(zhí)行。例如,室內(nèi)機器人檢測到前方 1m 處有行人時,DWA 會在 0.5-1.5m/s 的速度范圍內(nèi),生成向左或向右的避讓軌跡,確保避障后仍能回歸全局路徑。

層級規(guī)劃協(xié)同實現(xiàn)高效導航。全局規(guī)劃為局部規(guī)劃提供宏觀引導(如 “從 A B 需經(jīng)過走廊”),局部規(guī)劃則處理實時動態(tài)障礙,兩者通過 “全局路徑作為局部規(guī)劃的目標引力” 實現(xiàn)協(xié)同。例如,倉儲機器人的全局路徑設(shè)定為 “從貨架 A 到分揀臺”,當局部規(guī)劃檢測到通道中有臨時堆放的貨物時,會在全局路徑兩側(cè) 1m 范圍內(nèi)生成繞行軌跡,繞行完成后自動回歸全局路徑,避免規(guī)劃沖突。

避障與控制:路徑執(zhí)行的 “動態(tài)校正” 機制

即使規(guī)劃出最優(yōu)路徑,機器人仍需應對執(zhí)行過程中的不確定性(如地面打滑、傳感器噪聲),避障與控制模塊通過實時感知與反饋調(diào)節(jié),確保機器人安全、精準地跟蹤路徑。

實時避障系統(tǒng)依賴多傳感器融合感知。近距離避障(5m)需快速響應,常用傳感器組合包括:

  • 激光雷達:通過點云聚類識別障礙物的位置與尺寸,在 10Hz 刷新率下可檢測 0.1m 以上的物體;
  • 超聲波傳感器:在 0-3m 范圍內(nèi)提供厘米級測距,適合檢測低矮物體(如地面線纜);
  • 紅外傳感器:用于 0.5m 內(nèi)的碰撞預警,作為緊急制動觸發(fā)信號。

避障算法需區(qū)分靜態(tài)與動態(tài)障礙:對靜態(tài)障礙(如墻壁、貨架)采用提前繞行策略,對動態(tài)障礙(如移動的人、其他機器人)則通過運動預測(如線性速度模型)判斷碰撞風險。當預測到未來 2 秒內(nèi)可能發(fā)生碰撞時,系統(tǒng)觸發(fā)避障;當碰撞時間≤0.5 秒時,直接啟動緊急制動(減速度≥2m/s2),確保安全距離≥0.3m

運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)路徑的精準跟蹤。根據(jù)機器人的運動學模型,控制算法需將路徑指令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行器信號:

輪式機器人:差速驅(qū)動通過左右輪轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,控制算法(如 PID 控制)根據(jù)當前速度與目標速度的偏差,實時調(diào)整電機輸出,使速度跟蹤誤差≤0.1m/s;全向輪機器人則通過四個輪子的獨立轉(zhuǎn)速控制,實現(xiàn)任意方向的平移,適合狹窄空間的靈活移動。

腿足機器人:通過關(guān)節(jié)角度控制實現(xiàn)步態(tài)規(guī)劃,例如四足機器人的 trot 步態(tài)(對角腿同步運動),需通過運動學逆解計算每條腿的關(guān)節(jié)角度,配合力控傳感器實現(xiàn)地面適應。

無人機:通過調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速控制升力、偏航、俯仰和橫滾,采用串級 PID 控制(位置環(huán)、速度環(huán)、姿態(tài)環(huán))實現(xiàn)三維空間的精準懸停與軌跡跟蹤,定位精度可達 ±0.5m。

反饋校正機制補償執(zhí)行誤差??刂颇K通過里程計、視覺里程計等實時獲取機器人的實際運動狀態(tài),與期望路徑進行對比,當偏差超過閾值(如位置偏差10cm)時,通過前饋 + 反饋控制進行修正。例如,AGV 在直線行駛中因地面摩擦不均導致偏航時,控制系統(tǒng)會增加內(nèi)側(cè)輪速、降低外側(cè)輪速,使航向角回歸目標值,確保最終停靠誤差≤5mm

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