[發明專利]基于可變形拓撲地圖的服務機器人自主導航方法

無效

• 申請號: 200910055970.0
• 申請日: 2009-08-06
• 公開（公告）號: CN101619985A
• 公開（公告）日: 2010-01-06
• 發明（設計）人: 樊征;曹其新;劉忠;羅偉航
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01C21/30
• 分類號: G01C21/30;G01C21/32
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

1.一種基于可變形拓撲地圖的服務機器人自主導航方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步、首先依次將激光三維掃描傳感器、傾斜傳感器和6個超聲波傳感器分別并聯至服務機器人并將超聲波傳感器分別安裝于服務機器人的周圍，然后設置激光三維掃描傳感器以1毫秒為采樣周期采集環境數據并進行模數轉換，得到原始三維環境數據；再設置傾斜傳感器測得該傾斜傳感器與地面的夾角以及激光三維掃描傳感器與地面的夾角作為夾角數據，最后記錄超聲波傳感器測得的服務機器人與前方障礙物的距離數據；

第二步、服務機器人通過原始三維環境數據獲得相對坐標并結合夾角數據標定出絕對坐標；然后根據距離數據進行三維場景分割，在以1毫秒為單位的三維分割場景的基礎上進行局部三維場景重建，生成局部三維場景信息；最后通過擴展卡爾曼濾波的定位算法將局部三維場景信息通過魯棒性的預測，每一個時間點環境細節的匹配融合處理后生成全局三維場景；

第三步、首先以服務機器人的各種姿態所占的投影面積中的最小值作為柵格，并以此柵格為單位將全局三維場景柵格化，然后應用腐蝕-剪裁算法在全局三維場景中計算柵格化相關值并根據拓撲點判斷的結果決定是否應該修改對應柵格的標記值，最終生成服務機器人運動路徑拓撲地圖；

第四步、根據服務機器人的姿態變化在地面的投影制定出對應的柵格，然后依據蒙特卡羅配比法生成標準柵格，此處所述的蒙特卡羅配比法是基于蒙特卡羅算法的一種擴展算法，同時，標準柵格的另外一個作用是作為預輸入量，進行全局三維場景的柵格化；

第五步、依據服務機器人的姿態變化在地面的投影制定出對應的柵格的個數創建旋轉矩陣的維數，對原有的拓撲點進行計算，在機器人導航過程中，首先以尺寸最大的拓撲點進行導航，導航的過程中同樣依靠柵格地圖，但當遇到較狹窄環境后，將機器人的尺寸變小，變為較小的拓撲點，當相應的環境變窄，機器人的尺寸也相應變小，即標準柵格的組合數變小。?

2.根據權利要求1所述的基于可變形拓撲地圖的服務機器人自主導航方法，其特征是，所述的全局三維場景柵格化是指：障礙物柵格標記為1，空白柵格標記為0。

3.根據權利要求1所述的基于可變形拓撲地圖的服務機器人自主導航方法，其特征是，所述的柵格化相關值是指：在全局三維場景中以從上至下，從左至右的順序依次計算每一個柵格與該柵格周圍的8個柵格之間的相關值。

4.根據權利要求1所述的基于可變形拓撲地圖的服務機器人自主導航方法，其特征是，所述的拓撲點判斷是指：判斷該柵格對應的拓撲點是否為服務機器人運動路徑的末端點、服務機器人運動路徑方向變化的點或服務機器人運動路徑的交叉點，以此來區分關鍵的拓撲點與非關鍵的拓撲點，并且將非關鍵的拓撲點去除，以拓撲線代替，得到服務機器人運動路徑拓撲地圖。

5.根據權利要求1所述的基于可變形拓撲地圖的服務機器人自主導航方法，其特征是，所述的腐蝕-剪裁算法是指：在一副數字化圖像上的一個像素點為p1，順時針環繞p1的相鄰的8個方向上的像素依次設置為p2至p9，然后進行以下判斷：

步驟一、當p2+p3+……+p8+p9的和小于等于6且大于等于2時，設置：

a)從p2至p9按照p2，p3，…，p8，p9的順序從0到1的變化次數為1；

b)設置p2*p3*p4＝0且設置p4*p6*p8＝0；

步驟二、當p2+p3+……+p8+p9的和小于等于6且大于等于2時，設置：

a)從p2至p9按照p2，p3，…，p8，p9的順序從0到1的變化次數為1；

b)設置p2*p4*p8＝0且設置p2*p6*p8＝0

步驟三、重復步驟一并反復迭代計算，計算P1與周圍柵格化相關值的關系，直至p2+p3+……+p8+p9的和大于6或小于2；

步驟四、去除多余點，保留關鍵拓撲點，所有拓撲點被區分為冗余點與關鍵點，區分的規則為：軌跡的末端點、軌跡變化的點或是連接交叉點，利用這些規則對于拓撲點進行區分；

步驟五、將單個拓撲線融合為完整拓撲線在實現單獨點相連基礎上將其發展為關鍵拓撲點相連的方法，利用原本點與相近點之間短線相連，通過保留原?本冗余點的位置信息，將冗余點消除的同時，將冗余拓撲點之間的拓撲線進行融合處理，從而得到所需要的拓撲線。

6.根據權利要求5所述的基于可變形拓撲地圖的服務機器人自主導航方法，其特征是，所述的拓撲點判斷是指：判斷該柵格對應的拓撲點是否為服務機器人運動路徑的末端點、服務機器人運動路徑方向變化的點或服務機器人運動路徑的交叉點，以此來區分關鍵的拓撲點與非關鍵的拓撲點，并且將非關鍵的拓撲點去除，以拓撲線代替，得到服務機器人運動路徑拓撲地圖。?