Научно-исследовательская работа “Анализ метода потенциальных полей в задаче следования робота за человеком в среде с динамическими препятствиями”

Задача следования мобильного робота за человеком является одной из наиболее популярных и актуальных проблем современной робототехники, ведь, несмотря на огромное количество существующих и работоспособных её решений, ни одно из них нельзя назвать универсальным. Причиной этому служит существенное влияние специфики среды, характера движения цели и иных объектов, особенности динамики конкретного робота в задаче и т.д. Особенно следует выделить те случаи, когда окружающая среда содержит динамические препятствия, которые, во избежание столкновений с ними робота, необходимо учитывать при планировании его маршрута. При подобной постановке условия, решение задачи могут обеспечить далеко не все существующие алгоритмы планирования пути. На фоне прочих алгоритмов здесь выгодно выделяются методы, основанные на декомпозиции конфигурационного пространства робота с помощью потенциальных полей.

В рамках данной работы был проведен анализ алгоритмов планирования пути в потенциальном поле, построенном на основе информации об абсолютных положениях робота, цели и препятствий на карте. На основе экспериментов были сделаны выводы об эффективности рассмотренных алгоритмов с точки зрения длины пути, пройденного роботом и попадания последнего в локальные минимумы потенциального поля

Целями данной НИР являлись анализ и сравнение существующих алгоритмов планирования движения, основанных на построении искусственного потенциального поля.

Задачи работы:

1. Анализ теоретических основ существующих методов построения потенциальных полей.
2. Реализация ряда наиболее популярных алгоритмов на языке программирования Python.
3. Построение модели окружающей среды.
4. Моделирование реализованных алгоритмов и получение результатов.
5. Сравнение результатов работы алгоритмов.

Объект исследования – алгоритмы управления мобильными роботами.

Предмет исследования – методы планирования пути роботов на основе потенциальных полей.

Актуальность работы связана с растущими в последние годы объёмами исследований в области оптимизации маршрутов мобильных роботов. Данная НИР призвана предоставить исследователям подробное экспериментальное сравнение существующих алгоритмов планирования движения, позволяющее им более корректно выбирать алгоритм при решении реальных задач мобильной робототехники.

В результате выполнения данной работы были реализованы следующие алгоритмы планирования движения роботов:

1. Метод APF с квадратичной потенциальной функцией.
2. Метод APF с логарифмической потенциальной функцией.
3. Метод APF с экспоненциальной потенциальной функцией.
4. Метод виртуального силового поля (VFF).

С каждым методом был проведен ряд экспериментов в среде с динамическими препятствиями при случайных начальных условиях. Результаты показали отличия исследованных методов в надёжности и быстродействии.