[發明專利]一種基于在線學習機制的輪式機器人自適應導航方法

有效

• 申請號: 201510362963.0
• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN105116881B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 吳懷宇;張德龍;李威凌;陳洋;鐘銳
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 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

技術領域

本發明屬于移動機器人導航技術領域，基于SICK激光測距儀獲取周圍環境與輪式機器人之間的精確距離信息，采用一種在線學習機制讓輪式機器人學習導航路徑，并且在進行導航時采用一種自主逃離障礙區的避障算法進行背景避障，從而實現輪式機器人的自適應導航。

背景技術

移動機器人導航是機器人領域的熱門課題，使用更加精簡的傳感器來獲取更加優良的路徑進行導航一直是業界普遍追求的目標。

傳統的導航方法要實現指定路徑的自適應導航，需要依賴大量的傳感器信息，同時還要對各種傳感器信息進行數據的融合處理，導致傳統的導航方法存在實時性差、導航精度低等不足，而目前采用的基于學習機制的導航方法，使機器人能夠像人一樣進行心智發育和記憶信息，直接根據人傳授的導航路徑進行導航，因此該方法具有導航路徑最優、執行效率高、對傳感器依賴程度低等優點。然而，由于導航場景的動態變化、遮擋、相似物干擾等復雜外界環境干擾的存在，單一基于學習機制的導航，會因當前場景和學習場景之間的差異，使機器人產生錯誤判斷，造成偏航。并且由于學習和檢索過程中的誤差客觀存在，即使是在嚴格的靜態場景中，單一基于學習機制的導航也會在一定幾率上發生偏航現象，一旦偏航發生，機器人碰撞等事故風險會大大增加。因此，這種導航方法的魯棒性仍有待提高。

另外，導航傳感器的選配也是決定導航性能的關鍵所在。激光測距儀(LRF)因其具備高精度、數據量精簡、視域寬闊、受環境光照影響小等特性被作為導航傳感器大量應用于輪式機器人避障導航中。輪式機器人的避障能力同樣也決定了其自適應導航時的表現，基于激光測距儀的避障方法常用有求可行方向的方法，它較好地解決了激光測距儀在避障過程中因激光距離數據處理不全面而導致的盲區問題。但在避障時若想實現逃離障礙區或使機器人繞過障礙物繼續前進，還需要對機器人進行定位和構建環境地圖等手段輔助。

發明內容

本發明針對上述基于單一學習機制的導航方法中，不適應動態環境、碰撞風險始終存在的問題，以及基于激光測距儀進行避障導航時必須依賴其他傳感器輔助才可實現逃離障礙區的問題，提供了一種基于在線學習機制的輪式機器人自適應導航方法，解決了基于單一學習機制導航的動態場景魯棒性不足和碰撞風險客觀伴隨的問題。本發明基于增量分層判別回歸算法(Incremental Hierarchical Discriminant Regression，下文簡稱IHDR)和自主逃離障礙區避障算法的自適應導航方法。優化了輪式機器人的導航路徑，提升了導航效率。

為解決上述的技術問題，本發明采用的技術方案如下：

一種基于在線學習機制的輪式機器人自適應導航方法，其特征在于：首先根據周圍的環境情景進行分析判斷，人為規劃出供機器人行駛的最優導航路徑；然后控制機器人沿著所述最優導航路徑進行運動并在學習模式下實時在線學習和訓練，建立當前環境的距離信息與輪式機器人的運動控制信息的映射關系，并將該映射關系存放入IHDR樹中，導航路徑學習完成時IHDR樹同時也構建完畢，之后機器人根據IHDR樹中的所述映射關系進行自主導航；在根據訓練得到的IHDR樹進行自主導航時，背景避障監測模式同時作用，實時監測周圍障礙物與機器人間的距離，一旦該距離小于或等于預先設置的閾值，立即開啟避障導航模式，同時獲取當前場景的激光距離數據和當前時刻機器人的速度數據，更新至IHDR樹中；若當前時刻周圍障礙物與機器人間的距離大于預先設定的閾值，則將機器人運動的控制權重新返回學習模式，機器人根據之前訓練得到的IHDR樹繼續進行導航。

上述技術方案中，所述背景避障監測模式下主要利用激光測距儀進行距離測定。

上述技術方案中，主要包括如下步驟：

步驟1：設置輪式機器人串口及參數，初始化輪式機器人的控制模塊；設置激光測距儀的串口通信波特率，設置激光掃描范圍及掃描分辨率，設置距離數據的精度，發送開始接受激光數據的指令；

步驟2：根據周圍環境特征與目標點位置，人為規劃出供機器人行駛的最優路徑后，使用電腦鍵盤上的方向鍵在上位機軟件中控制機器人沿著規劃好的路徑進行運動和在線學習；

步驟3：在步驟2進行的過程中，采集當前激光測距儀返回的周圍環境與機器人之間的激光距離數據，再對應識別當前鍵盤方向鍵的鍵值，得出當前時刻機器人的速度數據；

步驟4：建一棵IHDR空樹，然后將步驟3得到的激光距離數據和激光距離數據下對應的速度數據根據IHDR算法存入到IHDR樹中；