机器人自主避障与路径规划仿真系统

资 源 简 介

本项目通过MATLAB环境构建了一个功能完备的单机器人避障仿真平台，旨在实现在含有静态及动态障碍物的复杂环境中的自主导航任务。程序核心采用了改进的人工势场法（Artificial Potential Field）及动态窗口法（DWA），利用目标点产生的引力引导机器人前进，同时利用障碍物产生的斥力场确保机器人在运动过程中能够保持安全距离并灵活绕避障碍。系统具备强大的地图建模功能，用户可以自由设置栅格地图或连续坐标空间，并自定义障碍物的大小、形状和分布。程序能够实时解算机器人的运动学方程，计算角速度与线速度的

详 情 说 明

单机器人自主避障与路径规划仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的机器人导航仿真平台，专门用于研究和演示单机器人在复杂环境下的自主路径规划。系统整合了经典的动态窗口法（DWA）与改进的人工势场法（APF），使机器人能够在存在多个静态和动态障碍物的环境下，安全、平稳地从起点移动至目标点。通过高频率的实时计算与可视化反馈，该系统为算法验证提供了一个直观且可靠的仿真环境。

功能特性

1. 混合动力导航算法：结合了动态窗口法的运动约束处理能力与人工势场法的目标引导特性，有效解决了传统算法易陷入局部最优的问题。
2. 动态环境模拟：系统不仅支持设置固定位置的静态障碍物，还模拟了具有速度矢量的动态障碍物，并具备边界反弹逻辑，增加了仿真环境的复杂度。
3. 严格的运动学约束：仿真过程充分考虑了机器人的最大线速度、最大角速度以及加速度限制，确保生成的路径在物理上是可执行的。
4. 实时交互可视化：程序以动画形式实时展示机器人行驶轨迹、避障动作及动态障碍物的移动。
5. 多维统计评价：仿真结束后自动生成性能分析图表，包括距离目标点的趋近曲线、最小避障距离监测，并计算总耗时和路径长度等指标。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 工具箱需求：无需额外特殊工具箱，核心算法基于标准矩阵运算实现。
3. 硬件建议：具备基础图形渲染能力的个人电脑。

仿真实现逻辑

本仿真系统采用模块化设计，主要流程如下：

1. 参数初始化：

设定仿真步长（0.1s）和总时长。配置机器人的物理限制参数，包括速度分辨率、加速度限制和预测时长。定义起始状态（坐标、朝向、初速度）以及目标点位置。

1. 环境建模：

预设一系列具有不同坐标和半径的圆形静态障碍物。初始化动态障碍物，赋予其初始坐标和在X、Y轴上的分速度。

1. 主仿真循环：

在每一时间步内，首先更新动态障碍物的位置。如果动态障碍物越过预设边界，其速度方向将自动反转。随后进入算法核心计算环节。

1. 核心规划算法：

系统采用受APF引导的DWA算法。在速度搜索空间（窗口）内采样可能的线速度和角速度组合。对于每一组速度，预测未来一段时间内的轨迹。 评价函数由四部分组成：

• 航向评分：衡量轨迹末端指向目标点的偏离度。
• 距离评分：计算预测轨迹与周边所有障碍物的最小间隙，并排除碰撞路径。
• 速度评分：鼓励机器人在安全范围内保持较高的前进速度。
• 改进势场评分：计算预测位置在人工势场中的势能值。

1. 运动学更新：

根据选出的最优线速度和角速度，利用微分运动学方程更新机器人的坐标和航向角，实现状态转换。

1. 结果输出：

当机器人与目标的距离小于预设阈值时，判定任务成功。系统会通过控制台反馈各项关键性能指标，并弹出双子图窗口进行数据分析。

关键算法与细节说明

改进的人工势场分量 在路径评价中引入了改进的势场函数。引力场通过计算当前预测位置与目标点的欧氏距离生成；斥力场则考虑了障碍物的影响半径，并引入了目标距离系数。这种改进方式有效解决了当障碍物靠近目标点时机器人无法到达目标（GNRON问题）的经典缺陷。

动态窗口法（DWA）的实现 系统通过动态窗口限制了速度搜索范围。动态窗口不仅受机器人最大性能限制，还受到当前速度及最大加速度的可达范围限制。这保证了选出的控制指令能够让机器人及时的刹车或转弯，从而规避碰撞。

碰撞检测机制 在评价预测轨迹时，系统会遍历轨迹上的每一个时刻点，计算其与环境中所有圆形障碍物边界的距离。如果任何一点深入了障碍物半径范围，该候选速度将被赋予极大的负分。

可视化与监控 系统利用MATLAB的图形句柄更新机制实现实时渲染。红色圆点代表机器人，绿色五角星代表目标，蓝色线条描绘历史轨迹。通过动态更新障碍物的填充区域，模拟出真实感较强的动态避障过程。