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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文

移动机器人路径规划与跟踪控制研究

摘要

从日常生活的扫地机器人到替代人工的巡检机器人再到探索宇宙的火星

车，机器人产业迎来了蓬勃发展时期，自主化与智能化作为移动机器人的主

要特征，而路径规划与跟踪控制技术也是实现移动机器人自主智能导航的关

键之一。本文主要从移动机器人领域中的路径规划与跟踪控制技术进行研究，

主要内容如下：

首先，针对移动机器人基于现有麻雀搜索算法进行全局路径规划时，存

在易陷入局部最优、收敛速度慢、路径可行性差等问题，本文引入Circle混

沌映射优化种群，引入黄金正弦策略和Levy飞行策略改进位置更新函数，

对麻雀搜索算法进行改进，改进算法在基准函数进行了测试并应用在多障碍

物栅格地图中进行路径规划，证明了改进麻雀搜索算法能够有效提高路径寻

优性能。

其次，针对移动机器人传统人工势场法在局部规划中目标不可达和局部

最小值问题，通过添加距离因子和引入虚拟逃逸力进行改进，并构建速度斥

力场提高了动态避障的实时性。另外提出联合路径规划，先采用改进麻雀搜

索算法进行全局路径规划，当检测到动态障碍物时，通过设置子目标点对移

动机器人进行局部路径规划，提高了移动机器人路径规划的效率。

再次，考虑移动机器人在进行轨迹跟踪时遇到包含坡度的地形，在重力

分量作用下跟踪控制不精确，建立了四轮差速移动机器人在斜坡上的运动学

模型，并对斜坡上移动机器人的动力学、运动约束条件进行了分析，设计了

基于模型预测控制的轨迹跟踪控制器，将运动学模型作为预测模型，构造目

标函数并施加约束，提高了移动机器人在坡度地形下轨迹跟踪的精度。

最后，在真实场景下对所提出算法进行实验验证，搭建了系统硬件实验

平台和基于ROS框架的软件实验平台，针对全局路径规划、联合路径规划

以及跟踪控制在不同场景下进行了实验，证明了本文所提算法的实际可行性。

关键词移动机器人；路径规划；麻雀搜索算法；人工势场法；轨迹跟踪

-I-

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文

ResearchonPathPlanningandTrackingControl

ofMobileRobots

Abstract

Fromthedailylifesweepingrobottoreplacethemanualinspectionrobot

toexploretheuniverseofMarsrover,therobotindustryhasusheredinaperiod

ofboomingdevelopment,autonomyandintelligencealsoasthemain

characteristicsofmobilerobots,andpathplanningandtrackingcontrol

technologyisalsooneofthekeystorealizetheautonomousintelligent

navigationofmobilerobots.Thispaperfocusesontheresearchofpath

planningandtrackingcontroltechnologyinthefieldofmobilerobots,andthe

maincontentsareasfollows.

Firstly,forthemobilerobotbasedontheexistingsparrowsearch

algorithmforglobalpathplanning,thereareeasytofallinto