[發(fā)明專利]一種基于橢圓約束的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法和裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410255481.0
• 申請日: 2014-06-09
• 公開（公告）號(hào): CN103995984A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳懷宇;張琴麗;羅歡;陳洋;周致富;滕雄;李威凌
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F19/00
• 分類號(hào): G06F19/00;G05D1/02;G05D1/12
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 胡琳萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人路徑規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及一種基于橢圓約束的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法及裝置。?

技術(shù)背景

隨著我國現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用也越來越廣泛。路徑規(guī)劃作為移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要分支，在機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)研究中顯得尤為重要。移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃是指在障礙物存在的環(huán)境下，機(jī)器人按照一定的優(yōu)化準(zhǔn)則，尋找一條從起始位置到目標(biāo)位置的安全無碰撞路徑。?

現(xiàn)有技術(shù)中的路徑規(guī)劃方法，根據(jù)對環(huán)境信息的掌握程度不同可分為：全局路徑規(guī)劃方法和局部路徑規(guī)劃方法。全局路徑規(guī)劃是要求環(huán)境信息已知的一種移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃，典型方法有：柵格法、可視圖法和結(jié)構(gòu)空間法等。該類方法的缺點(diǎn)在于不能實(shí)時(shí)解決環(huán)境中障礙物發(fā)生變化的問題，可用性差。局部路徑規(guī)劃是依據(jù)作業(yè)環(huán)境信息部分或完全未知的一種路徑規(guī)劃，常用方法有：人工勢場法、模糊邏輯算法、遺傳算法等。該方法缺點(diǎn)為：只能對局部路徑進(jìn)行規(guī)劃，不能對全局規(guī)劃路徑進(jìn)行優(yōu)化。?

現(xiàn)有全局路徑規(guī)劃法是針對避免機(jī)器人與形狀、位置已知障礙物發(fā)生碰撞時(shí)所采取的規(guī)劃策略，不能實(shí)時(shí)解決環(huán)境中障礙物發(fā)生變化的問題，沒有對障礙物進(jìn)行主動(dòng)的避障預(yù)防。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人針對形狀、位置未知的障礙物進(jìn)行主動(dòng)預(yù)防避障，提供一種基于橢圓約束的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。?

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的所采取的技術(shù)方案為，該基于橢圓約束的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法包括如下步驟：?

獲取機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息、障礙物信息、目標(biāo)環(huán)境信息；確定機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞的條件；針對機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞的條件，建立基于橢圓約束的運(yùn)動(dòng)避障模型，該橢圓應(yīng)滿足的約束條件為，機(jī)器人在橢圓內(nèi)、所檢測到的障礙物點(diǎn)在橢圓外、最終目標(biāo)點(diǎn)在橢圓邊界上或者在橢圓外；采用Bug路徑規(guī)劃算法進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，機(jī)器人沿連接起點(diǎn)和最終目標(biāo)點(diǎn)的直線路徑前進(jìn)，在遇到障礙物時(shí)建立基于橢圓約束的運(yùn)動(dòng)避障模型，當(dāng)最終目標(biāo)點(diǎn)在橢圓邊界上時(shí)，無需再設(shè)置中間目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人沿當(dāng)前位置向最終目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)最終目標(biāo)點(diǎn)在橢圓邊界外時(shí)，設(shè)置中間目標(biāo)點(diǎn)；機(jī)器人沿當(dāng)前位置與所述中間目標(biāo)點(diǎn)之間的直線路徑運(yùn)動(dòng)到所述中間目標(biāo)點(diǎn)；機(jī)器人避障后再次沿連接所述中間目標(biāo)點(diǎn)和最終目標(biāo)點(diǎn)的直線路徑前進(jìn)，到達(dá)最終目標(biāo)點(diǎn)。?

機(jī)器人從起始點(diǎn)出發(fā)，沒有遇到障礙物時(shí)，沿起點(diǎn)與最終目標(biāo)點(diǎn)之間的直線?路徑前進(jìn)，當(dāng)遇到第一個(gè)障礙物時(shí)，建立基于橢圓約束的運(yùn)動(dòng)避障模型。根據(jù)橢圓應(yīng)滿足的約束條件求得橢圓方程。當(dāng)最終目標(biāo)點(diǎn)在所建立的橢圓的邊界上時(shí)，機(jī)器人直接沿當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)到最終目標(biāo)點(diǎn)。當(dāng)最終目標(biāo)點(diǎn)在所建立的橢圓的邊界外時(shí)，選擇該次模型中的中間目標(biāo)點(diǎn)(第一中間目標(biāo)點(diǎn))，機(jī)器人沿直線從起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到第一中間目標(biāo)點(diǎn)，然后開始沿第一中間目標(biāo)點(diǎn)與最終目標(biāo)點(diǎn)之間的直線路徑運(yùn)動(dòng)；當(dāng)遇到第二個(gè)障礙物時(shí)，通過建立運(yùn)動(dòng)避障模型，選擇該次模型中的中間目標(biāo)點(diǎn)(第二中間目標(biāo)點(diǎn))，從機(jī)器人的當(dāng)前位置，沿直線運(yùn)動(dòng)到第二中間目標(biāo)點(diǎn)，然后開始沿第二中間目標(biāo)點(diǎn)與最終目標(biāo)點(diǎn)之間的直線路徑運(yùn)動(dòng)。以此類推，最終通過機(jī)器人多次自主避障，達(dá)到最終目標(biāo)點(diǎn)。建立運(yùn)動(dòng)避障模型的過程為，在機(jī)器人、障礙物和機(jī)器人要到達(dá)的最終目標(biāo)點(diǎn)的位置已經(jīng)確定的條件下，建立一個(gè)橢圓，使橢圓滿足：機(jī)器人在橢圓內(nèi)、所檢測到的障礙物點(diǎn)在橢圓外、最終目標(biāo)點(diǎn)在橢圓邊界上或者在橢圓外。如果此時(shí)最終目標(biāo)點(diǎn)在橢圓邊界上，則機(jī)器人直接從當(dāng)前位置向最終目標(biāo)點(diǎn)沿直線運(yùn)動(dòng)，無需選擇中間目標(biāo)點(diǎn)。如果此時(shí)最終目標(biāo)點(diǎn)在橢圓邊界外，則此時(shí)需要選擇各中間目標(biāo)點(diǎn)，通過避障運(yùn)動(dòng)到達(dá)最終目標(biāo)點(diǎn)。?

本發(fā)明方法中，所述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)位置信息及機(jī)器人可獲取環(huán)境信息范圍的最大距離r和最大角度θ；所述障礙物信息包括每個(gè)障礙物的坐標(biāo)位置信息；所述目標(biāo)環(huán)境信息包括指定目標(biāo)位置全局坐標(biāo)信息。?

所述機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞的條件為：?

d|sinα|<R_safe

d≤r?????(1)?

0<α<θ?

其中：d表示機(jī)器人與檢測到的障礙物之間的距離，α表示機(jī)器人與障礙物之間距離向量和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的夾角，R_safe表示機(jī)器人與障礙物不發(fā)生碰撞的最小安全距離，r表示機(jī)器人可獲取環(huán)境信息范圍的最大距離，θ表示機(jī)器人可獲取環(huán)境信息范圍的最大角度。?