[發明專利]一種基于人類行為模擬的移動機器人實時運動規劃方法

有效

• 申請號: 201711399649.5
• 申請日: 2017-12-22
• 公開（公告）號: CN108153310B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 張雪波;王佳蕊;方勇純;沈佩堯
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 張耀

本發明中提出的一種基于人類行為模擬的移動機器人實時運動規劃方法，其主要內容包括：多層擬人行為路徑規劃框架，基于人類規劃的行為模式，模擬人腦、人眼和人腿的功能對應設置全局層路徑規劃、感知層路徑規劃和執行層路徑規劃；完備性可調性軌跡規劃算法，提出一種有完備性保證的高效率的軌跡規劃算法，應用該算法規劃的軌跡能夠同時滿足機器人的運動學約束和環境約束條件；動態監控和恢復行為策略，對機器人前方安全距離范圍進行實時動態監控，如果遇到緊急狀況采取恢復行為策略，有效地確保安全、提高魯棒性。本發明能夠在大規模的、動態變化的、部分未知的、非結構化的室內環境中，實現移動機器人的實時運動規劃。

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，特別涉及一種基于人類行為模擬的移動機器人實時運動規劃方法。

背景技術

隨著科學技術的發展，移動機器人在家庭服務、物流倉儲、場景監控等方面得到了廣泛的應用。運動規劃技術是移動機器人高效完成各種復雜任務所必需的關鍵技術。盡管在此方面已經有了一定的研究成果[1-3]，能夠保證完備性的無碰運動規劃策略仍然是機器人領域的挑戰性問題[4]。

運動規劃旨在計算從初始位姿到目標位姿的可行軌跡，使得機器人躲避障礙物且滿足運動學和動力學等約束條件。運動規劃分為耦合規劃和解耦規劃，前者直接在包含時域的狀態空間內進行求解，后者將運動規劃問題分解為路徑規劃和沿給定路徑的軌跡規劃。解耦規劃能夠較好地兼顧計算時間和軌跡效率，因而獲得了大量的研究關注[5-7]。

在現有的研究工作中，結構化環境(如公路、走廊等)中的路徑規劃問題已經得到了較好的解決[8-10]，這些研究大多基于全局規劃與局部規劃相結合的兩層規劃框架。其中，全局規劃的作用范圍是全局環境，負責為機器人提供全局的運動指引，其更新頻率相對較低；局部規劃的作用范圍是機器人周圍的局部環境，負責對環境中的動態障礙物實時地作出反應，其更新頻率相對較高。相比之下，在部分未知的、非結構化的復雜環境中，移動機器人的運動方式具有更大的不確定性，上述兩層規劃框架并不直接適用。具體而言，如果局部規劃的作用范圍設置較小，機器人對環境感知的預見性將會受到限制，機器人無法及時預知到前方環境的變化從而提前做出反應；如果局部規劃的作用范圍設置過大，又不能在有限的時間內做出精細的路徑規劃。

對于沿給定路徑的軌跡規劃問題，現有的解決方法包括動態規劃方法[11]，凸優化方法[12]以及數值積分方法[13]等，這些方法均能夠沿給定路徑規劃出最優的速度曲線。相比于其他方法，數值積分方法耗時較短，更適用于實時規劃問題。利用數值積分方法進行軌跡規劃分為兩步：首先，根據所有約束條件，計算速度限制曲線；然后，在不擊穿速度限制曲線的前提下，在初始線速度和目標線速度之間交替進行基于最大加速度的正向積分和基于最小加速度的反向積分。然而現有的數值積分方法大都只考慮機器人本身的運動學約束(包括速度約束、加速度約束等)，而忽略了外界環境帶來的速度約束條件(如障礙物約束、路況約束等)；并且現有的數值積分方法沒有完備性的保證，即，軌跡規劃步驟不一定能為所有生成的可行路徑分配速度曲線。

發明內容

本發明的目的在于解決大規模的、動態變化的、部分未知的、非結構化的室內環境中的實時路徑規劃問題以及多種復雜約束下有完備性保證的軌跡規劃問題，提供一種基于人類行為模擬的移動機器人實時運動規劃方法，使得移動機器人在復雜的室內環境中實現安全自主導航。

本發明提供的基于人類行為模擬的移動機器人實時運動規劃方法，其主要內容包括：

(一)多層擬人行為路徑規劃框架；

基于人類規劃的行為模式，模擬人腦、人眼和人腿的功能對應設置全局層路徑規劃、感知層路徑規劃和執行層路徑規劃；

(二)完備性可調性軌跡規劃算法；

提出一種有完備性保證的高效率的軌跡規劃算法，應用該算法規劃的軌跡能夠同時滿足機器人的運動學約束和環境約束條件；

(三)動態監控和恢復行為策略；