جستجوی مقالات مرتبط با کلیدواژه "path planning" در نشریات گروه "مکانیک"
تکرار جستجوی کلیدواژه «path planning» در نشریات گروه «فنی و مهندسی»-
Mobile robots hold significant potential for a broad spectrum of applications in industry and various service domains. Consequently, extensive research efforts have been devoted to addressing deficiencies and improving their performance. Among the critical challenges in robotics is obstacle avoidance, which enables the robot to navigate around unexpected objects encountered along a planned path. Numerous methods and algorithms have been proposed to prevent collisions between robots and detected obstacles. These approaches commonly rely on the crucial assumption of having precise knowledge of the robot's position at every step. This paper introduces a novel method for obstacle avoidance in indoor environments, leveraging an occupancy grid map of a partially known space and the A* algorithm. The proposed method addresses scenarios with imprecise information about the robot's state. Initially, a preliminary occupancy grid map is refined and transformed into an enhanced map using an artificial neural network. Subsequently, the A* algorithm is applied to the modified map. Additionally, an algorithm is developed to guide the robot from a starting point to a target endpoint. When encountering a newly emerged obstacle, the robot dynamically adapts its path to reach the goal while avoiding the obstacle. The proposed method's efficacy is validated through simulations of a two-wheeled robot in three distinct scenarios. Results demonstrate the method’s capability to navigate the robot effectively within an indoor environment, even with imprecise state information. The algorithm ensures the robot maintains a safe distance from obstacles, showcasing its potential for practical applications.Keywords: Obstacle Avoidance, Path Planning, Occupancy Grid Map, Artificial Neural Network
-
میدان های پتانسیل مصنوعی یکی از روش های پرکاربرد در طراحی مسیر پیوسته است. اما، کاربرد این روش در طراحی مسیر جمعی با چالش هایی مواجه است که می توان به مساله نقاط کمینه محلی و نیز ایجاد ترافیک در صورت افزایش تعداد ربات ها اشاره کرد. هدف از روش پیشنهادی در این مقاله، بهبود طراحی مسیر جمعی در محیط های پیچیده و با حضور تعداد متغیری ربات است. یک تابع پتانسیل تطبیقی جدید معرفی شده است که احتمال همگرایی و ورود هم زمان ربات ها به یک ناحیه و در نتیجه احتمال ایجاد ترافیک و نقاط کمینه محلی را کاهش می دهد. همچنین، توابع پتانسیل جدیدی پیشنهاد شده است که منجر به مسیرهای هموارتر با زمان پیمایش کمتر، در مواجهه ربات با موانع می شود. در این توابع، علاوه بر موقعیت ربات ها و موانع، جهت حرکت ربات ها و موقعیت هدف نیز در نظر گرفته شده است. به منظور ارزیابی روش پیشنهادی، یک معماری نرم افزاری هیبریدی طراحی و در بستر سیستم عامل رباتی پیاده سازی شده است که در آن امکان پیوستن ربات های جدید و یا تعریف هدف جدید، همزمان با حرکت دیگر ربات ها وجود دارد. نتایج نشان می دهد که استفاده از توابع پتانسیل پیشنهادی منجر به کاهش همگرایی ربات ها و در نتیجه کاهش زمان پیمایش مسیرها می شود. در شبیه سازی صورت گرفته برای 2 ربات، استفاده از توابع تطبیقی توسعه داده شده منجر با کاهش 35 درصدی در زمان پیمایش مسیرها شده است. درحالیکه در طراحی مسیر برای 15 ربات در نقشه یکسان، کاهش 50 درصدی در زمان پیمایش مسیرها حاصل شده است.
کلید واژگان: طراحی مسیر, سیستم چندرباتی, سیستم تطبیقی, میدان پتانسیل مصنوعی, معماری هیبریدی, ربات خودکارThe Artificial Potential Fields approach is amongst the widely used path planning methods in continuous environments. However, the implementation of it in multi-robot path planning encounters challenges such as the local-minima and an increase in traffic probability with the rise in the number of robots. The purpose of the proposed method is to improve multi-robot path planning in complex environments. A new adaptive potential function is introduced that reduces the probability of the robots entering an area at the same time and thus reducing the probability of traffic. Also, new potential functions have been proposed that lead to smoother paths with less traverse time when the robot encounters obstacles. In these functions, in addition to the position of robots and obstacles, heading of the robot and the position of the target are also considered. In order to evaluate this method, a distributed software architecture has been designed and implemented in the framework of the robot operating system. In this architecture, as robots move, new robots can join the operation or new tasks can be assigned to robots. Two series of real-time simulations are carried out in the Gazebo environment. The results show that the use of the proposed potential functions leads to a decrease in the convergence of the robots. In the simulation done for 2 robots, proposed method has resulted in a 35% reduction in the traversal time. While in case of 15 robots in the same map, a 50% reduction in the traversal time has been achieved.
Keywords: Path Planning, Multirobot System, Adaptive System, Artificial Potential Field, Hybrid Architecture, Autonomous Robot -
The turn-around task is one of the challenging maneuvers in automated driving which requires intricate decision making, planning and control, concomitantly. During automatic turn-around maneuver, the path curvature is too large which makes the constraints of the system severely restrain the path tracking performance. This paper highlights the path planning and control design for single and multi-point turn of autonomous vehicles. The preliminaries of the turn-around task including environment, vehicle modeling, and equipment are described. Then, a predictive approach is proposed for planning and control of the vehicle. In this approach, by taking the observation of the road and vehicle conditions into account and considering the actuator constraints in cost function, a decision is made regarding the minimum number of steering to execute turn-around. The constraints are imposed on the speed, steering angle, and their rates. Moreover, the collision avoidance with road boundaries is developed based on the GJK algorithm. According to the simulation results, the proposed system adopts the minimum number of appropriate steering commands while incorporating the constraints of the actuators and avoiding collisions. The findings demonstrate the good performance of the proposed approach in both path design and tracking for single- and multi-point turns.
Keywords: Autonomous Vehicles, Collision Avoidance, Multi-point turn maneuver, Nonlinear Model Predictive control, Path Planning, Turn-around Task -
در این پژوهش هدف یافتن کوتاه ترین مسیر، بدون برخورد با موانع موجود برای هدایت یک موشک به صورت برخط از بین موانع ثابت و متحرک به سمت یک هدف متحرک می باشد. حرکت های موانع و هدف در وهله اول ناشناخته اند ولی پس از کشف و یافتن هدف و موانع، روش پیشنهادی در این مقاله می تواند دستوراتی را برای موشک جهت رهگیری هدف تا رسیدن به آن، تولید کند. الگوریتم پیشنهادی این مقاله به گونه ای طراحی شده که می توان اطمینان کرد که موشک با اجتناب کامل از موانع، کوتاه ترین مسیر ممکن را یافته و طبق آن به هدف نزدیک شود. از طرفی با توجه به اینکه الگوریتم ارایه شده از همه اطلاعات موجود در محیط استفاده نمی کند و جهت کنترل حجم محاسبات در چرخه های بعدی، عملیات اصلاحی در الگوریتم مورد استفاده قرار می گیرد، لذا الگوریتم پیشنهادی در زمان خیلی کم، به جواب بهینه و دقیق تر می رسد. همچنین برخی سناریوهای پیچیده ای را جهت آزمایش الگوریتم در نرم افزار متلب شبیه سازی نموده ایم که نتایج آن همگرایی الگوریتم در یافتن مسیر بهینه منتهی به هدف متحرک یا ثابت ضمن اجتناب از موانع متحرک یا ثابت، در بازه زمانی مناسب را نشان می دهد.کلید واژگان: برنامه ریزی مسیربه صورت برخط, هدایت قرار ملاقات, محیط پویا, اجتناب از مانعIn this research, the aim is to find the shortest path, without encountering the existing obstacles, to guide a missile in a linear way through fixed and moving obstacles towards a moving target. The movements of the obstacles and the target are unknown in the first place, but after discovering and finding the target and obstacles, the method proposed in this article can generate commands for the missile to track the target until it is reached. The proposed algorithm of this article is designed in such a way that it can be ensured that the missile finds the shortest possible path and approaches the target by avoiding the obstacles completely. On the other hand, considering that the presented algorithm does not use all the information available in the environment and in order to control the volume of calculations in the next cycles, corrective operations are used in the algorithm, so it is expected that the proposed algorithm will reach the optimal solution in a very short time. Also, we have simulated some complex scenarios to test the algorithm in MATLAB software, the results of which show the convergence of the algorithm in finding the optimal path leading to the moving or stationary target while avoiding moving or stationary obstacles in the appropriate time frame.Keywords: Path planning, Rendezvous-guidance, Dynamic Environment, obstacle avoidance
-
In this paper, a new fast algorithm for path planning and a collision prediction framework for two dimensional dynamically changing environments are introduced. The method is called Time Distance (TD) and benefits from the space-time space idea. First, the TD concept is defined as the time interval that must be spent in order for an object to reach another object or a location. Next, TD functions are derived as a function of location, velocity and geometry of objects. To construct the configuration-time space, TD functions in conjunction with another function named "Z-Infinity" are exploited. Finally, an explicit formula for creating the length optimal collision free path is presented. Length optimization in this formula is achieved using a function named "Route Function" which minimizes a cost function. Performance of the path planning algorithm is evaluated in simulations. Comparisons indicate that the algorithm is fast enough and capable to generate length optimal paths as the most effective methods do. Finally, as another usage of the TD functions, a collision prediction framework is presented. This framework consists of an explicit function which is a function of TD functions and calculates the TD of the vehicle with respect to all objects of the environment.Keywords: automated vehicles, collision avoidance, mobile robots, motion planning, Path planning, space-time space
-
برنامه ریزی و رفتار خودروهای خودران در یک ساختار سلسله مراتبی به سطوح مختلف استراتژیک، تاکتیک و عملیاتی دسته بندی می شود. در این پژوهش، مطالعه در سطح برنامه ریزی محلی با هدف طراحی سیستم دور زدن خودکار خودرو و با تمرکز بر روش طراحی مسیر و برنامه ریزی مانور تک و چند فرمانه ارایه می گردد. مانور دور زدن کامل به عنوان یک سناریوی متداول در شرایط مورد نیاز، شامل یک یا چند حرکت به جلو و عقب می باشد که در آن بایستی خودرو در موقعیت مناسب در لاین مخالف جاده و با زاویه سر 180 درجه ضمن رعایت شرط عدم برخورد در طی انجام حرکت قرار گیرد. بدین منظور نخست، مدل چهار چرخ وسیله نقلیه با هندسه مربوطه، تشریح می گردد. در ادامه بر مبنای کمینه پهنای مجاز جاده استخراج شده، تصمیم متناسب با هدف حداقل تعداد فرمان اتخاذ و برنامه ریزی مانور انجام می شود. سپس طراحی مسیر توسط روش هندسی پیشنهادی با کمان های دایره و تعمیم به دور زدن کامل عقب گرد برای هر موقعیت و جهت اولیه ارایه می گردد. روش پیشنهادی در پژوهش، مزایایی چون هزینه محاسباتی کم و در عین حال قابلیت استفاده برای حالات مختلف وضعیت اولیه خودرو و جاده را دارا می باشد. امکان سنجی دور زدن در تک یا چند مانور در جاده های باریک و پهن بررسی و توسعه داده می شود. نتایج شبیه سازی دور زدن با داده های خودروی نمونه و ارزیابی پیوسته امکان پذیرترین مانور، کارایی رویکرد انتخاب شده برای برنامه ریزی را تایید می کند. در یک مطالعه موردی برای خودروی سمند، با استفاده از رویکرد پیشنهادی، ضمن برنامه ریزی مناسب انجام شده، کاهش مسافت حدود 11درصدی برای جاده با پهنای 12 متر نسبت به مسیر طراحی شده یکی از مراجع مشاهده می شود.
کلید واژگان: خودروی خودران, دور زدن کامل خودکار, برنامه ریزی مانور, طراحی مسیر, دور زدن تک و چند فرمانهThe behavior of self-driving cars is categorized into different strategic, tactical and operational levels in a hierarchical structure. In this research, a study at the local planning level aims to design an automatic turning system and Focus on path and maneuver planning (single and multi-point). The turn around maneuver as a common scenario in the required conditions, includes one or more forward and backward movements, in which the vehicle must be in the proper position in the opposite lane of the road and with a heading angle of 180 degrees. Moreover, the condition of collision avoidance is considered during the maneuver. For this purpose, the four-wheeled model of the vehicle with the relevant geometry is described; Next, on the basis of the deduced minimum permissible road width, a decision is made according to the objective of the minimum number of commands. Then the path design is presented using the proposed geometrical method with circle arcs for each initial position and orientation and generalized to the backward turning. The proposed method has advantages such as low computational cost and can be used for different situations of the initial states of the vehicle. The result of the turning simulation with sample vehicle data and continuous evaluation of the most feasible maneuver confirms the efficiency of the chosen planning approach. In a case study for the Samand car, while proper planning was done, a distance reduction of about 11% for the road with a width of 12 meters is observed compared to the path planned by one of the references.
Keywords: self-driving car, automatic turning, Maneuver planning, Path Planning, single, multi point turn -
یکی از این چالش های مساله طراحی مسیر چندرباتی، افزایش ابعاد فضای جستجو به صورت نمایی همراه با افزایش تعداد ربات ها در محیط عملیات است. بنابراین، به الگوریتم هایی نیاز است که دارای کارایی محاسباتی بوده و بتوانند مسیرهای بهینه و بدون برخورد ربات ها را در زمان محدود طراحی کنند. در این مقاله یک الگوریتم طراحی مسیر مرکزی برای هدایت ربات ها در محیط عملیات مشترک ارایه شده است. این الگوریتم یک روش جستجوی اکتشافی تدریجی است که در آن الگوریتم D* Lite به منظور تطبیق با حالت چندرباتی توسعه داده شده است. هماهنگی در طراحی مسیر برای تمام ربات ها بر اساس مفهوم زمان تصرف بوده که در ساختار مدل مفهومی محیط پیاده سازی شده است. همچنین، یک تابع مرکزی جهت به روزرسانی اطلاعات مدل مفهومی محیط و حرکت تدریجی ربات ها توسعه داده شده است. به منظور ارزیابی روش پیشنهادی، دو گروه شبیه سازی های استاتیک و پویا انجام شده است. در دسته اول، تمرکز بر مطالعه اثر پارامترهای الگوریتم است. نتایج نشان می دهد که الگوریتم پیشنهادی قابلیت طراحی مسیر برای 40 ربات در محیطی با 55 درصد فضای آزاد را دارد و نیز رابطه زمان محساباتی و تعداد ربات ها غیر نمایی است. دسته دوم شبیه سازی ها در محیط سه بعدی Gazebo انجام شده که به صورت برخط و پویا است. نتایج روش پیشنهادی با روشی بر اساس میدان های پتانسیل مصنوعی برای تعداد 14 ربات مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که با افزایش تعداد ربات ها از 9 عدد، زمان انجام عملیات برای روش مبتنی بر میدان پتانسیل افزایش زیادی پیدا کرده و یا غیرممکن می شود.
کلید واژگان: طراحی مسیر, سیستم های چند رباته, جستجوی تدریجی, ربات خودکارMulti-robot path planning problem involves some challenges. One of them is the exponential increase in the size of the search space as a result of increasing the number of robots in the operating environment. Therefore, there is a need for algorithms with high computational performance to plan optimal and collision-free paths in a limited time. In this article, a centralized path planning algorithm is presented. The algorithm is a heuristic incremental search, in which the D* Lite algorithm has been adapted for the multi-robot case. The concept of occupancy time has been embedded into the environment model to avoid path interference. A centralized function has been designed to update the environment model and robot data. To evaluate the method, two groups of simulations of static and dynamic types were carried out. The static simulations focused on studying the effect of algorithm parameters, and it was shown that the algorithm can plan paths for up to 40 robots in an environment having 55 percent free space. The dynamic simulations were carried out in Gazebo, a real-time and dynamic physical simulator. The results were compared to a baseline method based on potential fields. The number of robots was increased to 14, and it was demonstrated that for 9 robots and more, the potential field approach either fails or has a rapid increase in computation time, while the proposed method can find feasible solutions in a limited time.
Keywords: path planning, multi-robot systems, incremental Search, autonomous mobile robots -
Decision making and path planning in case of highly transient dynamics of the surrounding as well as the effect of road condition are the issues that are not completely solved in the previous researches. The goal is to perform a safe and comfortable lane change that includes flexible re-planning capabilities. In this paper, a novel structure for path planning and decision making part of a vehicle automatic lane change has been introduced which comprehensively considers both longitudinal and lateral dynamics of the vehicle. The presented method is able to perform re-planning even in the middle of a lane change maneuver according to new traffic condition. Inclusion of the dynamics of all involved vehicles and providing online performance are the other advantages of the proposed system. The algorithm is simulated and various scenarios are constructed to evaluate the efficiency of the system. The results show that the system has completely acceptable performance.Keywords: Automated driving, Decision making, Lane change (LC), Path planning
-
The primary purpose of each autonomous exit parking system is to facilitate the process of exiting the vehicle, emphasizing the comfort and safety of driving in the absence of almost any human effort. In this paper, the problem of exit parking for autonomous vehicles is addressed. A nonlinear kinematic model is presented based on the geometric relationship of the vehicle velocities, and a linear time-varying discrete-time model of the vehicle is obtained for utilizing the optimal control strategy. The proposed path planning algorithm is based on the minimization of a geometric cost function. This algorithm works for ample space exit parking in Single-Maneuver and tight spaces in Multi-Maneuver exit parking. Finally, an optimal discrete-time linear quadratic control approach is hired to minimize a quadratic cost function. To evaluate the performance of the proposed algorithm, the control system is simulated by MATLAB/Simulink software. The results show that the optimal control strategy is well able to design and follow the desired path in each of the exit parking maneuvers.
Keywords: Autonomous Vehicle, Exit Parking, Linear Quadratic Tracking, Linear Time-varying Model, Path Planning -
انحراف به چپ در مسیرهای دوطرفه، از شرایط حساسی است که می تواند سبب برخورد شدید خودروها از روبرو شود. بدلیل تلفات زیاد این تصادفات، ارائه ی سیستم های هوشمند هدایت خودرو در چنین شرایطی ضرورت دارد و مورد توجه نبوده است. مقاله ی حاضر، به طراحی مسیر ایمن و مانورپذیر عدم برخورد با خودروی منحرفی از مسیر روبرو می پردازد. رویکرد اصلی، استفاده از کنترل پیش بین با افق 2 ثانیه و مدل پیش بین خطی است که حول شرایط کاری، تطابق خوبی با رفتار غیرخطی دارد. برای پیش بینی حرکت خودروی مهاجم، رویکردی محافظه کارانه مدنظر است و حرکت تا افق 0/7 ثانیه، با شتاب جانبی بالایی در دو جهت مدل می شود. برای عدم برخورد خودروها، روش نوینی براساس فضاهای اشغالی آینده ی خودروی مهاجم ارائه شده، قیدهای اجتناب از برخورد بسادگی مدل سازی می شوند. هم چنین برای تشخیص جهت مناسب مانور اجتنابی، الگوریتمی نوآورانه ارائه شده که در تقابل دور و نزدیک خودروها، معیارهای مختلفی دارد. مجموعه ی نهایی، با کنترل فرمان پذیری مدل پیش بین، مسیر مرجع ایمن خودرو را با شتاب جانبی مقید تولید می کند. ارزیابی مجموعه ی نهایی با چهار شبیه سازی صورت می گیرد که تقابل دور و نزدیک و شرایط بحرانی انتخاب جهت را مدل می کنند. نتایج، واکنش مناسب الگوریتم را به تغییر جهت های ناگهانی و شدید خودروی مهاجم نشان می دهد.
کلید واژگان: انحراف به چپ, اجتناب از برخورد, طراحی مسیر, کنترل پیش بین, بهینه سازی مقیدDue to the high fatalities of head-on accidents, the design of intelligent systems to prevent such severe collisions is essential. In this study, path planning for head-on collision avoidance with a deviated vehicle from the opposite lane has been investigated. The main approach is based on a model predictive controller with 2 seconds of prediction horizon and a linearized prediction model with low errors near the operational conditions. A conservative method is used for lateral motion prediction of the deviated vehicle and based on that, the collision avoidance constraints of the model predictive planner are simply modeled by a new approach. Moreover, a novel method to choose the proper swerve direction of evasive maneuver is proposed. This method is based on keeping the ego vehicle away from dangerous directions and has different criteria for far and close encounters. The final algorithm is capable to control the steering of the prediction model with a constrained lateral acceleration and calculates safe and maneuverable paths for the aforementioned scenario. Four simulations are conducted to validate the algorithm in far and close encountering, and critical conditions of choosing swerve direction. Results show the robustness of the path planner, even to sudden deviations at close distances and with high lateral accelerations.
Keywords: Head-On Collision Avoidance, Path Planning, Model Predictive Control, Constrained Optimization -
Modified Algorithm of Swarm Robots based on Lagrangian Equations for Obstacle Avoidance and Path planning
In this paper, an algorithm is presented for a swarm motion stability based on Lagrange equations. Having virtual energy sources, the mentioned algorithm is designed and applying energy values to Lagrange equations the swarm members move toward the desired target point. Moreover, the presented stability algorithm has been generalized to prevent collision between members of the swarm as well as avoid collision with obstacles and two repulsive operators have been designed to guaranty the safety of the swarm members along the path. Arriving of all members at the target point, an aggregation switch is designed for members’ aggregation. Prioritizing on experimental works, this feature enables the swarm members move more freely and cover a greater area along the path. It is also possible to define and arrange virtual obstacles in any desired layouts (e.g., narrow corridor) in order to achieve different goals such as avoiding an area, guiding the swarm in the desired direction, etc. the presented algorithm is suitable for identification, navigation, search and rescue, protection, etc. Using MATLAB software this algorithm is simulated and validated for the movement of swarm robots in both two- and three-dimensional spaces covering different conditions. The simulation results demonstrate the capabilities and efficiency of the presented algorithm for application in swarm motion.
Keywords: Swarm robots, Lagrange equations aggregation, obstacle avoidance, MATLAB, Path planning -
تعویض خط در سرعتهای بالا، یک مانور راهبردی جهت اجتناب از برخورد است. در این شرایط زمان امکان بروز حادثه عمدتا کمتر از s2 است؛ لذا یافتن مسیر مناسب و کنترل خودرو با کمترین هزینه زمانی از اهمیت بالایی برخوردار است. در این مقاله، براساس عملکرد راننده ماهر در شرایط مشابه، مسیر مناسب و سیستم کنترلی متناسب با آن، با هدف پایداری خودرو و اجتناب از برخورد طراحی شده است. برای این منظور، با شبیهسازی عملکرد راننده ماهر بوسیله مدل دینامیکی 7 درجه آزادی خودرو، مسیرهای احتمالی شناسایی و با آموزش یک شبکه عصبی، مسیر نهایی انتخاب شده است. جهت هدایت خودرو از یک کنترل کننده ترکیبی، شامل: معادلات رفتاری راننده با یک سیستم شبکه عصبی پوششی و دو کنترل کننده تناسبی-مشتقی استفاده شده است. مهم ترین نوآوری های این روش، طراحی هم زمان مسیرهای پایدار با حفظ قید هندسی عدم برخورد و هزینه محاسباتی و زمانی ناچیز سیستم کنترلی و طراحی مسیر برای شرایط اضطراری است. نتایج حاصل از شبیه سازی ها نشان میدهد بیشترین خطای شبکه عصبی طراحی مسیر حدود 11 درصد است. همچنین سیستم کنترلی توانسته در شرایط مختلف سرعتی و اصطکاک جادهای، با حداکثر خطای جابهجایی عرضی cm40 خودرو را هدایت و مسیر را دنبال کند.کلید واژگان: اجتناب از برخورد, راننده ماهر, تعویض خط اضطراری, خودروی خودران, طراحی مسیرLane Change at high speeds is a strategic maneuver to avoid the collision. In this situation, The time of an accident possibility is mainly less than two seconds. therefore, finding the proper trajectory and control of the vehicle is crucial at the lowest cost. In this paper, based on a skilled driver’s performance in a similar situation, a proper path and corresponding appropriate control system was designed aiming at vehicle stability preserving and collision avoidance. To this purpose, possible paths were simulated and identified using the vehicle's seven degrees of freedom model and applying the driver’s behavior. A neural network system was trained; then, the trajectory was chosen. A hybrid controller was hired for the vehicle navigation, consisting of the driver's performance pattern with a covering neural network and two proportional derivative controllers. The Novelties of this method are the simultaneous design of a stable path while maintaining geometric constraints and the low computational burden of the path planning and control system. The results show that the highest neural network error is about 11%. Also, the control system has been able to steer the vehicle and follow the trajectory with 40cm maximum lateral displacement error in the speed and road friction different conditions.Keywords: Autonomous Vehicle, Collision Avoidance, Skilled Driver, Emergency Lane Change, Path Planning
-
تحقیقات بسیاری در زمینه برنامه ریزی مسیر به عنوان یکی از مهم ترین مسایل در پهپادها انجام شده است که باتوجه به شرایط و محدودیت های موجود، نتایج مختلفی به همراه داشته است. در این پژوهش از یک الگوریتم پیشنهادی موثر مبتنی بر الگوریتم بهینه سازی پروانه استفاده شده که دارای یک تابع مطلوبیت و قابلیت بهینه سازی همزمان چند پاسخ است. وجه تمایز BOA نسبت به سایر الگوریتم های فراابتکاری آن است که هر پروانه با ترکیب اطلاعات به دست آمده از گیرنده های مختلف حسی ، برازش منحصر به خود را در مسیر تولید کرده و از این جهت توانایی خوبی در حل مسایل چندهدفه دارد. در این نوشتار از یک تابع هدف سه بعدی به منظور محاسبه طول کوتاه ترین مسیر، شدت برخورد با موانع، جلوگیری از تصادم و افزایش توان عملیاتی پهپاد که تابعی از میزان انرژی مصرف شده است، استفاده خواهد شد. همچنین مفهوم عامل پرتاب هوشمند استفاده شده در این الگوریتم همزمان باعث جلوگیری از گیر افتادن در بهینه های محلی و افزایش سطح پوشش شبکه در فرایند مسیریابی می شود. این عامل پرتاب با استفاده از تکنیک های هندسی و منحنی میزان، مانع از برخورد پهپاد با موانع می شود. عملکرد الگوریتم پیشنهادی با روش های کلونی مورچه و بهینه سازی ازدحام ذرات به عنوان کاربردی ترین الگوریتم های فراابتکاری مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد، الگوریتم BOA در مقایسه با دو الگوریتم دیگر، در بهترین حالت، دارای کمترین هزینه و در بدترین حالت، دومین کمترین هزینه را داشته است. هم چنین BOA از نظر مدت زمان اجرا و مقدار بهینه تابع برازش، به نسبت دو الگوریتم دیگر عملکرد بهتری دارد.کلید واژگان: پهپاد, برنامه ریزی مسیر, الگوریتم بهینه سازی پروانه, فضای سه بعدی, جلوگیری از تصادمMuch studied have addressed Path planning as one of the main topics in unmanned aerial vehicles; which has yielded different results due to the existing conditions and limitations. To this end, the present study proposed an efficient algorithm underpinned by the propeller optimization algorithm, which had a utility function and could optimize multiple responses simultaneously. BOA is different from other meta-heuristic algorithms as each propeller produces its own unique fit in the path by combining information extracted from different sensory receptors. Accordingly, BOA can solve multi-objective problems. A 3D objective function was used in this study to estimate the length of the shortest path and the intensity of collisions with obstacles, avoid collisions and enhance UAVs’ operational capacity as a function of consumed energy. Furthermore, A smart launcher factor was also included in this algorithm to prevent trapping in local optimizations and promote network coverage in the routing process at the same time. The launcher prevents collision with obstacles in UAVs by adopting geometric techniques and the contour line. The performance of the proposed algorithm was compared with that of the most practical meta-heuristic algorithms (namely ACO and PSO methods). The findings revealed that the BOA algorithm compared to the other two algorithms had the lowest cost and the second lowest cost under the best and worst conditions, respectively. The findings also confirmed the better performance of BOA than the other two algorithms regarding execution time and the optimal value of the fit function.Keywords: Unmanned Aerial Vehicles, Path Planning, Butterfly Optimization Algorithm, 3 Dimension.collision avoidance
-
طراحی مسیر یکی از گلوگاه های باز تحقیقاتی جهت ایجاد خودمختاری در ربات های بدون سرنشین می باشد. در فضاهای شهری و محیط های بسته با افزایش تعداد موانع و قیدهای پیرامونی، پیچیدگی محاسباتی مورد نیاز برای الگوریتم های طراحی مسیر کامل با مرتبه O (n2) افزایش می یابد. هدف این مقاله ارایه یک الگوریتم طراحی مسیر مبتنی بر نمونه برداری تصادفی برای یک ربات عمود پرواز بدون سرنشین و تست زمان واقعی آن در محیط xPC-Target می باشد. برای این منظور، روش درخت جستجو سریع تصادفی پیشنهاد می گردد. الگوریتم پیشنهادی کامل احتمالاتی بوده و همچنین امکان اعمال قیدهای غیرهولونومیک در گره های درخت جستجویی مسیر را دارا می باشد. جهت اعتبار سنجی و اعتبار بخشی به الگوریتم طراحی مسیر پیشنهادی پیش از انجام تست های پر ریسک و پر هزینه میدانی، بستر تست پردازنده در حلقه در محیط نرم افزار xPC-Target متلب در نظر گرفته شده است. پردازنده هدف مد نظر در این تست، تکبرد صنعتی مدل SBC84710 شرکت Axiomtek می باشد. در این تست دو سناریو آزمون با پیچیدگی متفاوت تدوین شده است. نتایج نشان می دهند که الگوریتم درخت جستجو سریع تصادفی پیشنهادی جهت طراحی مسیر برای ربات عمود پرواز مد نظر با بهرگیری از ماهیت تصادفی خود قادر به طراحی مسیر سریع برای ربات می باشد. همچنین به دلیل درگیر نمودن مدل دینامیکی ربات در فرایند تولید گره های تصادفی و شاخه-های درخت جستجو، در مسیر طراحی شده هر دو نوع قید سینماتیکی و دینامیکی لحاظ شده اند و لذا منجر به طراحی یک مسیر عملیاتی با قابلیت رهگیری بالا توسط ربات شده است.
کلید واژگان: طراحی مسیر, الگوریتم درخت جستجوی سریع تصادفی, سینودینامیک, ربات عمود پرواز, پردازشگر درحلقهPath design is one of the open research bottlenecks to develop autonomy in unmanned robots. In urban spaces and closed environments, with increasing the number of obstacles and constraints, the computational complexity required for the completed path planning algorithms increases with order O (n2). The main purpose of this manuscript is to present a path planning algorithm based on the random sampling method for the vertical take-off and landing vehicle (VTLV) and its real-time test in the xPC-Target toolboxes. For this purpose, the rapidly exploring random tree (RRT) algorithm is presented. The proposed algorithm is completely probabilistic and also the non-holonomic constraints of the VTLV are integrated into the vertices of the search tree. In order to validate and evaluate the proposed path planning algorithm before performing risky and costly field tests, the processor-in-the-loop (PIL) test, in MATLAB xPC-Target software environment is considered. In the PIL test, two test scenarios with different complexity have been developed. The results show that the proposed rapidly exploring random tree algorithm is able to plan a primary path for the robot by using its random nature in a rapid manner. Also, due to the involvement of the robot dynamic model in the process of generating random vertices and search tree edges, both types of kinematic and dynamic (kinodynamic) constraints have been considered in the planned path and therefore lead to the design of a practical path with high intercept ability through the robot.
Keywords: Path planning, Rapidly Exploring Random Tree (RRT), Kinodynamic, Vertical Take-Off, Landing Vehicle (VTLV), Processor-in-the-Loop (PIL) -
با گسترش روزافزون تصادفات جاده ای و به دنبال آن توسعه سیستم های کمک راننده، اهمیت خودروهای خودران بیش از پیش افزایش یافته است. همزمان با مطرح شدن بحث خودروهای خودران، لزوم توجه به ایمنی این خودروها و تاثیرات سایر خودروهای حاضر در جریان ترافیک بر عملکرد آنها نیز افزایش می یابد. طراحی و کنترل مسیر حرکت با در نظرگرفتن خودروهای اطراف در شرایط ترافیکی دینامیکی ناپایدار در حین مانورهای پیچیده از مهمترین مشکلات پیش روی خودروهای خودران می باشند. علی رغم پژوهش های مختلف در حوزه تعویض خط در شرایط ترافیکی پویا و حتی سرعت های بحرانی، درنظرگرفتن شرایط دینامیکی گذرا در آنها محدود به لحظه شروع مانور بوده و راه حلی برای تغییرات لحظه ای خودروهای اطراف در حین مانور ارایه نشده است. الگوریتم ارایه شده در این مقاله، قادر است با توجه به تصمیمات ناگهانی خودروهای اطراف در حین مانور، مسیرهای ایمن جدید را به صورت بهینه طراحی کند، همچنین اجتناب از برخورد در سراسر مانور را از طریق کنترل همزمان طولی و عرضی خودرو تضمین می کند. پس از ارزیابی عملکرد واحد تصمیم گیری توسط آزمونهای رانندگی واقعی، الگوریتم ارایه شده با سناریوهای مختلف در شرایط پیچیده ترافیکی گذرای دینامیکی با استفاده از نرم افزار متلب شبیه سازی شده و عملکرد مطلوب آن در محیط دینامیکی IPG CarMaker در حضور خودروهای اطراف به اثبات رسیده است.
کلید واژگان: تعویض خط, طراحی مسیر, تصمیم گیری, کنترلر مود لغزان, خودروهای خودرانWith the increasing number of road accidents and driver assistance systems development, the automated vehicles importance has increased more than ever. As the issue of automated vehicles comes up, attending to their safety, and the impact of the other vehicles in traffic flow on their performance dramatically increased. One of the most important problems for automated vehicles is designing and controlling the trajectory regarding the surrounding vehicles in transient dynamic traffic conditions during complicated maneuvers. Although various studies have been performed in the field of lane change in dynamic traffic conditions and even in critical high speed, considering the transient dynamic conditions has been limited to the beginning of the maneuver and no solution has been provided for the surrounding vehicles’ immediate changes during the maneuver. The algorithm presented in this paper is able to design new safe optimized trajectories according to the sudden decisions of the surrounding vehicles during the lane change maneuver, also ensures collision avoidance in the whole maneuver via vehicle’s simultaneous longitudinal and lateral control. After evaluating the decision-making unit’s performance by real driving tests, the presented algorithm is simulated with different scenarios in complicated transient dynamic traffic conditions by using MATLAB software and its desired performance has been proven in the dynamic environment of IPG CarMaker, in the presence of surrounding vehicles.
Keywords: Lane change, Path planning, decision making, Sliding mode controller, Automated vehicles -
پیشرفت های اخیر در زمینه ی اجرای ماموریت و کنترل عامل ها، توجهات را به اجرای ماموریت های مشارکتی معطوف کرده است. در زمینه ی اجرای یک ماموریت مشارکتی ناوگان پرنده ها، الگوریتم تصمیم گیرنده برای اختصاص وظایف و طراحی مسیر، دو قسمت اصلی در طراحی چنین ماموریتی است. در این مقاله، با ترکیب این دو قسمت به حل مسئله تخصیص وظایف و مسیریابی به صورت یکپارچه پرداخته شده است. با الهام از الگوریتم برنامه ریزی خطی صحیح، به سبب بهینگی سراسری پاسخ آن، در این پژوهش به توسعه ی یک روش تکاملی و سلسله مراتبی بر اساس الگوریتم یاد شده و با قابلیت حل سریع تر مسایل مشارکت عامل ها با وجود اهداف متحرک پرداخته شده است. در کنار آن از یک الگوریتم منحنی های دابینز با قابلیت اعمال مشخصات عملکردی و محدودیت های حرکتی و دینامیکی جنگنده های بال ثابت در زمان کوتاه و بار محاسباتی پایین استفاده شده است. ضرایب و فواصل حاصل از الگوریتم منحنی های دابینز به جهت استفاده در الگوریتم اختصاص وظایف توسعه داده شده به-روز رسانی و استفاده می شود. با توجه به اینکه استفاده از اهداف متحرک در پلتفرم های اختصاص وظایف پیشین مورد بررسی قرار گرفته نشده است، مهمترین نوآوری این مقاله پرداختن به چنین مساله ای و توسعه ی یک الگوریتم تکاملی و سلسه مراتبی می باشد. نتایج ارایه شده، مبین عملکرد مناسب و بهینه و سرعت بالاتر رویکرد ارایه شده، نسبت به روش های کلاسیک می باشد.
کلید واژگان: اختصاص وظایف, برنامه ریزی خطی صحیح, اهداف متحرک, مسیریابی, منحنی های دابینزRecent developments in mission implementation and agent control have drawn attention to the performing of cooperative missions. Decision-making systems are among the most important parts of such missions. The aim of these systems is efficient task assignment and path planning. This paper combines a task assignment approach and a path planning method to tackle collaborative problems. The task assignment approach, used in this paper, is based on an improved linear programming approach for its high accuracy. The path planning method is based on Dubins curve to handle the limitation movements of fixed-wing fighters, investigated in this paper. The proposed methods perform based on the utilized fighter’s performance characteristics and flight constraints in a dynamic environment with moving targets. The path planning approach is based on specific constraints, including certain output vectors of each point as well as input ones to the target points, minimum rotational angle, and performance factors of fighters. In the next step, Dubins path planning output is used as the necessary coefficient to solve the task assignment problem of cooperative fighters. By using a heuristic hierarchical approach based on linear programming, a comprehensive path planning and task assignment of a fleet of fighters is completed. The presented results show optimal performance and higher speed to solve rather than the classical approaches, which is capable to cover the dynamic environment as well.
Keywords: Task assignment, Mixed-Integer Linear Programming, moving targets, Path planning, Dubins curve -
Journal of Modern Processes in Manufacturing and Production, Volume:9 Issue: 4, Autumn 2020, PP 5 -14The electric arc furnace (EAF) is one of the popular methods of steel production from steel scraps. The plasma arc is used in EAF to generate heat for melting scarp or direct reduced iron (DRI). The liquid metal is drained from the EAF through the tap hole. Nowadays, it is critical to use Automated/robotic tools for opening the tap hole with oxygen lancing. Because many workers have been blinded by spraying molten particles in opening operation. This study was aimed to simulate a robot manipulator with five degrees of freedom designed for opening the tap hole of an electrical arc furnace. The geometrical model of the robot was designed in Solid works software according to the real workplace and its expected path and obstacles. The Newton-Euler approach was employed to derive the dynamic equations and the resultant joint torques. The dynamic model is used to obtain the operating torques of the joints as well as in the simulation using the SimMechanic toolbox in Matlab software. The results of the simulation with SimMechanic show that the control system can follow the desired path of the robot with acceptable accuracy.Keywords: Electric Arc Furnace, Industrial Robot, Path planning, PID Control, SimMechanic
-
امروزه وسایل هوایی بدون سرنشین به دلیل هزینه پایین ، قدرت مانور بالا ، بقای خوب در هر دو زمینه نظامی و تجاری مورد توجه بسیار قرارگرفته اند. هنگام تعیین یک ماموریت برای چنین سیستم هایی، طراحی مسیر، عنصر حیاتی کل سیستم است. در میان وسایل هوایی بدون سرنشین، کوادروتورها از اهمیت بیشتری برخوردارند. توانایی های این وسیله در حمل و نقل بار هوایی توجه بسیاری از گروه های تحقیقاتی در سراسر جهان را به خود جلب کرده است. در این پژوهش طراحی مسیر بر مبنای کمترین انرژی مصرفی به منظور حمل بار مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از این پژوهش بررسی تاثیر تابع هدف پیشنهادی به منظور طراحی مسیر بهینه برای حمل بار بر مبنای کاهش انرژی مصرف شده کوادروتورها می باشد. نتایج بیانگر کاهش %29/35 میانگین انرژی مصرفی یک کوادروتور در حالت همکار نسبت به یک کوادروتور در حالت انفرادی بود. همچنین این موضوع نشانگر افزایش ظرفیت حمل بار در حالت گروهی می باشد. از سوی دیگر آرایش رهبر پیرو مورد نظر نیز با توجه به روابط تعریف شده ایجاد، و تا انتهای مسیر حفظ شده است. نتایج شبیه سازی قدرت روش و توانایی آن برای حل مسایل پیچیده نظیر طراحی مسیر حرکت کوادروتور های همکار به منظور حمل بار را نشان می دهد.
کلید واژگان: طراحی مسیر, ربات های همکار, کوادروتور, کنترل بهینه, انتقال بارToday, unmanned aerial vehicles are highly considered for both military and commercial fields due to low cost, high maneuverability, and good survival. One of the most important design challenges of multi-UAV systems is mission planning. In the broad class of unmanned aerial vehicles (UAV), Quadrotor is an important member. The capabilities of this vehicle in load transportation has attracted the attention of many research groups around the world. In this paper, path planning based on the minimum energy consumption is studied for load transportation. The purpose of the present study is to investigate the effect of proposed cost function in order to obtain optimal path for transporting loads based on reducing the energy consumption of quadrotors. The results indicate the 35.29% energy consumption of multi UAV compared to the energy consumption of an individual quadrotor. This also leads to an increase in load carrying capacity. On the other hand, the leader- follower formation is preserved until the end of the path based on the defined relationships. The simulation results illustrate the power and efficiency of the method to overcome the high nonlinearity nature of the problem such as path optimization of multi-rotor helicopters.
Keywords: path planning, cooperative robots, Quadrotor, Optimal control, Load transportation -
وجود تهدیدها در منطقه عملیاتی، می تواند با به خطر انداختن ایمنی پرنده، موفقیت ماموریت را با چالش روبرو سازد. در این تحقیق، با هدف بسط الگوریتمی برخط و کارآمد جهت اجتناب از تهدیدهای شبکه ای، روشی نوین در قالب حلقه درونی- حلقه برونی پیشنهاد شده که به طور مستقیم، دینامیک هواپیما را در استراتژی هدایت وارد می سازد. بر خلاف عموم روش های موجود، در این الگوریتم مسیر مستقیما تولید نمی شود؛ بلکه در حلقه برونی، فرامین هدایتی مقتضی در حین پرواز و بر اساس شرایط لحظه ای تولید و برای اجرا به دینامیک پرنده اعمال می شود. در حلقه درونی، یک مدل سه درجه آزادی جرم نقطه ای بسط یافته است که تاخیرهای موجود در دینامیک پرنده را لحاظ می سازد. مسیر پرواز، به تدریج و در پی اعمال این فرامین به دینامیک پرنده، شکل می گیرد. مساله هدایتی، در قالب رهیافت فازی مبتنی بر رفتار تدوین شده است. دو رفتار مستقل شامل رفتار هدایت به سمت هدف و رفتار اجتناب از تهدیدها تعریف شده است که فرامین صادره از آنها، با وزن های پویا تجمیع می شوند. نتایج حاصل از شبیه سازی، حاکی از کارآیی بسیار خوب روش پیشنهادی است.کلید واژگان: اجتناب از تهدید, طرح ریزی مسیر, رهیافت فازی مبتنی بر رفتار, مدل جرم نقطه ایPresence of threats in the UAV’s operational environment may challenge the mission success by putting in danger the vehicle’s safety. Aimed at developing an efficient online guidance algorithm to avoid netted threats, this research proposes a novel method which incorporates the flying vehicle dynamics directly into the guidance strategy. Unlike almost all existing works, the proposed algorithm does not generate the flight path directly, instead determines appropriate guidance commands (GCs) for control system at every point along the way. The GCs are generated in accordance with the current conditions. A suitable 3DOF point mass UAV dynamic model is developed which takes the lags in the vehicle dynamics into account. The flight path forms gradually as a result of applying the GCs to the vehicle dynamics. The UAV guidance problem is considered within a fuzzy behavior-based framework. Two independent behaviors are introduced, namely, go-to-target and threat avoidance. The issued commands of these behaviors are integrated with adjustable weighting factors. Simulation results demonstrate that proposed approach is efficient and works very well.Keywords: Threat avoidance, Path Planning, Fuzzy behavior-based approach, point mass model
-
طراحی بهینه مسیر حرکت ربات های پرنده با توانایی بالقوه در نقش هبرداری و عملیات تجسس منجر به بهبود در عملکرد آنها می شود. از این رو هدف از این مقاله، طراحی مسیر بهینه یک ربات کوادروتور بر مبنای حداقل سازی گشتاور موتورها در حرکت نقطه به نقطه می باشد. ابتدا معادلات دینامیکی حرکت کوادروتور با استفاده از روش نیوتن به فرم فضای حالت استخراج می شوند. سپس بهینه سازی مسیر حرکت براساس حل غیرمستقیم مساله کنترل بهینه ارائه می شود. بدین منظور با استفاده از اصل مینیمم پونتریاگن و استخراج تابع همیلتون؛ شرایط لازم بهینگی با توجه به محدودیت گشتاور اعمالی موتورها به دست می آید. معادلات به دست آمده یک مساله مقدار مرزی را تشکیل می دهند که با حل این معادلات می توان به جواب بهینه دست یافت. در نهایت به منظور بررسی کارایی روش پیشنهادی، شبیه سازی عددی برای یک کوادروتور انجام می شود و مسیر بهینه بر اساس تابع هدف کمینه گشتاور برای آن طراحی می گردد. نتایج شبیه سازی قدرت روش و توانایی آن برای حل مسائل پیچیده نظیر طراحی مسیر حرکت کوادروتورها را نشان می دهد.کلید واژگان: طراحی مسیر, کوادروتور, کنترل بهینه, کمینه گشتاورThe optimal design of path planning for unmanned aerial vehicles with many potential applications ranging from mapping to supporting rescue operations will improve their performance. Hence, the aim of this paper is to determine the optimal trajectory of quadrotor robot based on minimizing engine torque in point-to-point motion. First, the dynamic equations of quadrotor motion are derived in state space form by using Newton’s method. In this investigation, the computational method to solve the trajectory planning problem is based on the indirect solution of open-loop optimal control problem. The Pontryagin’s minimum principle (PMP) is used to obtain the optimality conditions, which is lead to a standard form of a two-point boundary value problem. Finally, to evaluate the efficacy of the proposed method, numerical simulation is performed for a quadrotor and the optimal trajectory is designed based on minimize torque. The results illustrate the power and efficiency of the method to overcome the high nonlinearity nature of the problem such as path optimization of multi-rotor helicopters (tri, quad, hexa, octa, etc.).Keywords: path planning, Quadrotor, Optimal control, minimum effort
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.