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AGV的智能路径规划有哪些算法选择?

发布时间:2025-12-04 14:53:08

      AGV(自动导引车)的智能路径规划算法选择多样,可根据具体需求和应用场景,从单AGV路径规划算法和多AGVs路径规划算法两大类中进行挑选。以下是一些主流算法及其特点:

单AGV路径规划算法

单AGV路径规划是多AGVs路径规划的基础,通常是已知地图环境的路径寻优问题,旨在完成起始点与目标点之间的路径规划,无需考虑AGV之间的冲突。

  1. Dijkstra算法

    • 原理:一种解决有向加权图中单源最短路径的算法,用于计算一个顶点到其他所有顶点的最短路径。算法以起点为中心,向外逐步扩展,搜索顶点范围,直至遍历到目标顶点。

    • 优点:保证找到全局最短路径(边权非负时)。

    • 缺点:搜索范围大,无方向性,计算效率较低(尤其在大地图上);动态障碍物需重算全局路径,实时性差。

    • 适用场景:常作其他算法(如A*)的基础,或在环境简单时使用。

  2. A*算法

    • 原理:由最佳优先搜索策略和Dijkstra算法组成的启发式算法。通过启发函数计算从当前结点至所有可达的下一结点的成本值,然后选择成本最低的结点作为下一步的目标位置。

    • 优点:在启发函数满足条件时,保证最优路径且通常比Dijkstra效率高得多。广泛用于AGV全局路径规划。

    • 缺点:性能受启发函数选择影响;内存消耗可能大;环境频繁变化时仍需重规划。

    • 动态变种:为应对动态环境,有D、LPA、D* Lite等算法。它们能在环境变化时增量式更新路径(而非完全重算),显著提高响应速度。D* Lite是AGV动态避障常用算法。

    • 适用场景:适用于需要高效全局路径规划的场景。

  3. RRT*算法

    • 原理:一种基于采样的路径规划算法,特别适合高维空间和复杂约束(如车辆运动学)。通过在状态空间随机采样,逐步生长一棵从起点开始的树来探索空间。RRT*是RRT的优化版,增加了重连接(Rewiring)步骤,使路径能渐近最优(采样点越多,路径越接近最优)。

    • 优点:处理高维状态(姿态、速度等)和复杂约束能力强;不需要显式环境地图;概率完备性(存在路径则最终能找到);RRT具有渐近最优性。

    • 缺点:路径非严格最优(除非无限采样);路径可能不平滑(需后处理);性能对参数敏感;收敛可能较慢。

    • 动态变种:如Dynamic RRT,通过移除/更新树中与动态障碍物碰撞的部分并继续生长来实现重规划。

    • 适用场景:适用于复杂环境和运动约束下的路径规划。

  4. 蚁群算法

    • 原理:经典的群智能优化算法,灵感来源于蚂蚁在寻找食物过程中的行为。蚂蚁在觅食时,会在经过的路径上释放信息素,并能够感知环境中信息素的含量浓度大小。信息素浓度大小表征这条路径距离食物的远近,当路径距离越短,信息素浓度越高。信息素浓度越高的路径,越容易被蚂蚁选择。

    • 优点:具有全局搜索能力,能够找到较优解。

    • 缺点:算法复杂度较高,计算时间较长;容易陷入局部最优解。

    • 适用场景:适用于需要全局搜索能力的路径规划问题。

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多AGVs路径规划算法

多AGVs路径规划是单AGV路径规划的深入研究,为典型的MAPF(Multi-Agent Path Finding)问题,属于NP难问题。该问题的关键约束是,当多AGVs同时沿着各自路径行驶时,各AGV之间不会发生冲突。求解MAPF的算法可以分为两类:集中式规划算法和分布式规划算法。

  1. 集中式规划算法

    • 原理:需要获悉所有AGV的起始位置、目标位置,以及障碍物位置信息等。

    • 分类:可分为基于A*搜索算法、CBS(Conflict-Based Search)、代价增长树搜索算法以及基于规约等。

    • 优点:在求解的过程中更注重解的质量。

    • 缺点:计算复杂度较高,适用于AGV数量较少的场景。

    • 代表算法:CBS算法应用最为成熟。它具有两层结构,下层算法为每个AGV搜索出一条代价最小的有效路径;基于每条有效路径,通过上层算法构建一个二叉树结构的约束树。约束树的节点包含约束、全部AGV的路径构成的解和代价。通过约束树,可以检查路径之间是否冲突,若不冲突,再选择其中代价最小的分支继续进行下层路径搜索。

  2. 分布式规划算法

    • 原理:采用去中心化的方式。在AGV与环境交互过程中,每个AGV均可以与一定范围内的其他AGV进行通信,完成路径规划。

    • 优点:适用于大规模智能体的环境,更加关注求解效率。

    • 缺点:解的质量可能不如集中式规划算法。

    • 研究热点:多智能体深度强化学习算法正在成为分布式算法方面的研究热点,这类算法多应用于游戏和实际工程领域。


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