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基于平滑A*算法的仓储物流机械人路径计划

来源：本站 | 宣布日期：2023-02-27

0 引言

电子商务迅猛生长，为仓储物流带来了新的需求和挑战。其发货单位小型化，品种多、批量小、批次多、周期短，古板依靠人工的仓储物流难以适应新的需求，基于移动机械人的自动化仓储技术正在兴起。将自主移动机械人引入仓储空间中，取代人工搬运货物，可以有效地减少工人的劳动强度，降低维护本钱，提高运行效率。要实现一个机械人化的自动化仓储情况，要害的问题就是移动机械人的路径计划，使机械人在自动避障的前提下，计划最优路径抵达目标点。

1 A*算法路径计划的优势

1.1 常见的路径计划算法

目前，已有多种算法被应用到路径计划中。古板算法主要有图形要领和智能要领，其中图形要领包括路图法、栅格法等;智能要领包括遗传算法、蚁群算法、Dijkstra算法等智能算法及其混淆形式也用来解决路径计划问题。在智能算法中，如遗传算法保存编码长度变革规模大，求解效率低，求解规模小等问题[1]。Dijkstra算法直接搜索全局空间而不考虑目标信息，导致路径求解时间长，难以满足快速计划路径的需求[2]。

1.2 平滑A*算法的基本思想和优点

A*算法是一种价钱最小的优先算法，希望能够获得全局环节搜索的最短路径，也就是用最少的价钱求解问题。A*算法是一个可接纳的价钱最小的优先算法，其价钱函数可体现为:

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其中，f(p)是价钱函数，g(p)是起点到目今节点p的最短路径值，h(p)是目今节点n到目标的最短路径的启发值。当新的g(p)值大于之前的g(p)，则用新g(p)取代之前的g(p);而h(p)的替代原则恰好相反，当新的h(p)小于之前的h(p)值才爆发替代。应用这样的价钱函数战略，是可以找到最短路径的，也就是可接纳的。这种应用这种价钱函数的最好优先算法就是A*算法的基本思想。

A*算规则划后的路径保存一些问题，好比许多折线和转折点，不适用于仓储物流机械人的运行特点。为了提升线路质量，深入研究A*算法并进行改善，建立平滑A*算法要领并给出比较结果。仿真结果标明，平滑A*算法进行的路径计划更适用于仓储物流机械人的应用领域。

2 A*算法程序仿真

2.1 设计概述

本设计将仓储物流机械人作为研究工具，实现其路径计划。

2.1.1 建立栅格地图

接纳行列划分的矩阵存储要领在地图上建立的栅格，每个方格的坐标信息纪录在栅格存储阵列中的第m行、第n列，记为G(m,n)。接纳这种“栅格—存储”的映射步伐，可以建立起整幅地图。建立栅格后，对模型进行信息的编码。编码花样的基本思想如下:

1———目今栅格有障碍;

0———目今栅格无障碍。

在实际应用中，机械人路径计划为二维结构化空间，假设障碍物的位置和巨细已知，并且在机械人运动历程中，障碍物的位置和巨细都不爆发变革;用尺寸相同的栅格对机械人二维事情空间进行划分，凭据机械人及空间的巨细确定栅格数目，栅格巨细以机械人可以在其中运动为限[3]。

2.1.2 算法流程

当从初始点向目标点移动时，据前述f(p)=g(p)+h(p),A*算法会权衡g(p)和h(p)的值，每次进行主循环时，它检查f(p)最小的结点p，将在目今的open list中选择f值最小的相邻栅格作为下一个已选定栅格，并将目今已选定栅格作为该相邻栅格的父栅格，移入close list，将父栅格依次连接起来，完成寻路。

2.2 基本A*算法仿真

通过程序来在栅格地图上设置障碍物来模拟仓储空间中的货架，然后进行A*算法路径计划，如图1所示。

图1 障碍物花样

图1 障碍物花样   


从图1可以看出，利用A*算法自动计划路径的转折较多，如果在实际应用中使用这个程序来控制机械人调理，虽然可以完成任务，可是在机械人每次遇到障碍物需要转弯时，就必须减速到零转弯，然后再启动加速，如果连续遇到多个障碍物，那么机械人的运行时间将会加长;并且不绝地启动停止，不但使机械人的能耗增加，并且对机械人自己的寿命也有所影响，所以必须对机械人的路径进行平滑。

2.3 路径平滑要领

本文研究了多种路径平滑要领，以下两种平滑要领的路径模拟运行仿真如图2所示。

(1)利用MATLAB软件自带的函数smooth函数。yy=smooth(y,span,sgolay)，式中yy为平滑后的纵坐标值，y为原纵坐标值，span为移动平均滤波器的窗宽，span为奇数，sgolay为Savitzky-Golay滤波器的窗宽，由span参数指定;横坐标也做相同的处理。

(2)自界说函数Smooth Path� ；舅枷胧嵌栽肪督衅饰�，设置权重宁静滑因子，凭据原路径与新路径目今点的差值进行加权，并对路径中上一个点、下一个点与目今点的差值乘平滑因子，在一定的容忍度规模内，自动进行重复盘算，获得平滑后的新路径。

图2 平滑后曲线

图2 平滑后曲线  


3 结语

针对A*路径计划算法在仓储物流机械人应用中的缺乏，提出了革新的A*路径计划算法，引入平滑路径的处理，不但优化了路径，且能平滑转折角度，仿真结果验证了算法的有效性。实际应用中平滑A*算法为障碍物随机漫衍、大规模栅格情况下机械人计划出的路径有转折次数少、转折角度小等优点，能满足工程需求。


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