[發(fā)明專利]一種基于動態(tài)窗口與虛擬目標點的避障方法

有效

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• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107885209B
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 禹鑫燚;朱熠琛;歐林林;盧靚;張銘楊
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 杭州天正專利事務(wù)所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;黃美娟

基于動態(tài)窗口與虛擬目標點的避障方法，利用虛擬目標點以引導機器人前進，結(jié)合動態(tài)窗口下達機器人的運動指令，使機器人避開障礙物到達目標點。首先，機器人根據(jù)其傳感器上反饋的有關(guān)障礙物的角度與距離信息預(yù)測障礙物的運動軌跡；然后根據(jù)對障礙物的軌跡預(yù)測，結(jié)合機器人的運動狀態(tài)與真實目標點的位置，生成多個虛擬目標點，并通過評價函數(shù)綜合考慮機器人的朝向和虛擬目標點與真實目標點的距離，篩選出最優(yōu)的虛擬目標；最后機器人根據(jù)對障礙物的軌跡預(yù)測與虛擬目標點的位置，通過動態(tài)窗口法生成機器人下一時刻的控制指令集，并通過評價函數(shù)綜合考慮機器人的朝向、運行速度與其和目標點的距離，篩選出機器人下一時刻最優(yōu)的控制指令。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及動態(tài)未知環(huán)境中機器人的避障方法，針對機器人運動過程中檢測到的障礙物，本發(fā)明設(shè)計的避障算法通過預(yù)測障礙物的運動軌跡，生成虛擬目標點以引導機器人前進，結(jié)合動態(tài)窗口下達機器人的運動指令，使機器人避開障礙物到達目標點。

背景技術(shù)

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，越來越多的移動機器人應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，例如醫(yī)療服務(wù)機器人，家庭服務(wù)機器人等。移動機器人完成運送物品的任務(wù)，需要具備感知環(huán)境，路徑規(guī)劃，運動控制等功能。除此之外，移動機器人還需要應(yīng)對運動過程中出現(xiàn)的障礙物，感知并且避開它們，保證機器人能夠安全運行。

避障算法主要分為靜態(tài)避障算法和動態(tài)避障算法。靜態(tài)避障算法針對已知的環(huán)境信息，規(guī)劃出無碰撞的路徑。動態(tài)避障算法針對未知的環(huán)境，控制移動機器人向目標點運動同時避開動態(tài)障礙物。張海燕提出一種移動機器人路徑規(guī)劃和避障方法及系統(tǒng)，利用已知障礙物環(huán)境信息建立二維柵格地圖，并在所述二維柵格地圖中，采用跳點搜索算法確定所述起點到所述終點之間的最短路徑(張海燕.移動機器人路徑規(guī)劃和避障方法及系統(tǒng)[P].廣東： CN105955280A，2016-09-21.)。但是，全局路徑規(guī)劃算法難以適應(yīng)環(huán)境的變化，可能出現(xiàn)碰撞的問題。費浚純提出使用人工勢場法，為未知室內(nèi)環(huán)境中智能移動機器人的實時避障提供了一種適應(yīng)性強、實時性好、路徑較為平滑的解決方案(費浚純.一種基于人工勢場法的機器人避碰路徑規(guī)劃方法[P].黑龍江：CN104317291A，2015-01-28.)。但是使用人工勢場法容易使機器人在障礙物密集的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生局部震蕩。Farah Kamil等提出一種避障算法，使機器人能在障礙物的位置、形狀與運動狀態(tài)未知的環(huán)境中安全工作(F.Kamil,T.S.Hong,W.Khaksar, M.Y.Moghrabiah,N.Zulkifli,S.A.Ahmad.New Robot NavigationAlgorithm for Arbitrary Unknown Dynamic Environments based on FuturePrediction and Priority Behavior.Expert Systems with Applications％@0957-4174.(2017).)，然而該方法只在仿真環(huán)境中進行了測試且沒有考慮機器人的運動學特性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明克服現(xiàn)有方法上的缺點，提出一種基于動態(tài)窗口與虛擬目標點的避障方法。

本發(fā)明通過對障礙物運動軌跡的預(yù)測，利用虛擬目標點以引導機器人前進，結(jié)合動態(tài)窗口下達機器人的運動指令，使機器人避開障礙物到達目標點。首先，機器人根據(jù)其傳感器上反饋的有關(guān)障礙物的角度與距離信息預(yù)測障礙物的運動軌跡；然后根據(jù)對障礙物的軌跡預(yù)測，結(jié)合機器人的運動狀態(tài)與真實目標點的位置，生成多個虛擬目標點，并通過評價函數(shù)綜合考慮機器人的朝向和虛擬目標點與真實目標點的距離，篩選出最優(yōu)的虛擬目標；最后機器人根據(jù)對障礙物的軌跡預(yù)測與虛擬目標點的位置，通過動態(tài)窗口法生成機器人下一時刻的控制指令集，并通過評價函數(shù)綜合考慮機器人的朝向、運行速度與其和目標點的距離，篩選出機器人下一時刻最優(yōu)的控制指令。本發(fā)明采用的避障策略無需環(huán)境的先驗信息，充分考慮了機器人的運動學特性，能夠應(yīng)對未知環(huán)境中的動態(tài)避障問題。

一種基于動態(tài)窗口與虛擬目標點的避障方法，具體步驟如下：

步驟1：預(yù)測障礙物運動