[發明專利]一種基于激光雷達的室內移動機器人自主探索方法

在審

• 申請號: 201810248228.0
• 申請日: 2018-03-24
• 公開（公告）號: CN108592912A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 李秀智;龔月;賈松敏;張祥銀
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01S17/93
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種基于激光雷達的室內移動機器人自主探索方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：通過激光雷達數據提取探索目標點；提取方法由前沿斷點法和可通行區域法構成；

步驟2：建立拓撲節點；依據步驟1中的探索目標點提取結果，生成一個拓撲地圖節點并將該節點加入拓撲地圖中；

步驟3：冗余拓撲節點處理；檢測已有拓撲地圖下的所有拓撲節點，剔除冗余的拓撲節點；

步驟4:拓撲地圖閉環處理；檢測當前拓撲節點與其余所有拓撲節點是否存在閉環；如果存在，則在拓撲地圖上添加對應的邊完成閉環；

步驟5：當環境中不存在未探索的節點，則結束自主探索。

2.根據權利要求1所述的一種基于激光雷達的室內移動機器人自主探索方法，其特征在于：

1)前沿斷點法；

利用前沿斷點法將激光前沿分成A、B兩類：A類前沿在傳感器最大量程處，且弧長大于移動機器人的寬度；B類前沿在由障礙物遮擋而產生的斷點處，該斷點處相鄰兩激光數據的距離信息差值的絕對值大于一個安全閾值；前沿斷點法在A、B兩類前沿處均生成候選探索目標點；

生成A類候選探索目標點的幾何規則如下：

a、將前沿弧的中點與激光雷達的中心相連；

b、取連線上小于傳感器最大量程的點作為初始的候選探索目標點；

生成B類初始候選目標點的幾何規則如下：

a、將B類前沿的兩端分別標記為N、L；

b、在NL線段上取一點M，使MN＝B_d，B_d為MN的長度；

c、以激光測距儀的中心位置為圓心畫一段經過點M的圓弧arc；

d、過N點作一條垂直于NL的直線，并在垂線上取一點Q，使線段NQ＝safe_dis，且點Q在自由區域內；

e、作一條由激光雷達的中心指向點Q的射線，射線與圓弧arc的交點即為候選探索目標點；

2)可通行區域法

可通行區域法提取探索目標點的方法如下：

a、依據當前的激光數據提取可通行區域；

b、以該可通行區域的中心線方向的最遠端為第一個候選目標點位置，沿第一個候選目標點與車身的連線，間隔距離d生成另外一個候選目標點直至機器人當前位置；

c、計算可通行區域的中心線上所有候選探索目標點的信息增益；

3)整體探索目標點提取策略；

首先使用前沿斷點法提取探索目標點，如果提取失敗，則采用可通行區域法繼續提取；

4)拓撲節點的定義；

如機器人在某個位置成功提取出了探索目標點，當前的機器人位置將被確定為一個拓撲節點；在一個拓撲節點中，需包含機器人位姿pose、節點序號index，當前節點的候選目標點集合T；

5)拓撲地圖冗余節點剔除策略；

拓撲地圖的拓撲節點包含了機器人在探索過程中的環境信息，一個有價值的拓撲節點應有效地指導機器人導航，高度提煉地圖信息；本方法對于冗余節點的剔除策略主要分為兩個規則：

規則一：將拓撲地圖原點設定為起始節點a，檢測與起始節點a直接相連的所有節點B，B＝{b₁,b₂,b₃……}，對于B中的每一個元素{b_i}，計算與每一個元素{b_i}直接相連的除起始節點a外的所有節點記為C_bi＝{c₁,c₂,c₃……}；在柵格地圖上，檢測C_bi中的每個元素{c_i}與起始節點a的連通性，檢測方法為ray-traversal；若{c_i}與起始節點a不可直線連通，則{b_i}節點將被保存；當B中所有元素檢測完畢之后，將起始節點設置為下一個節點，繼續迭代；

規則二：如果某節點下存在未到達的探索目標點，則保存該節點；

對于以上兩條規則均不滿足的節點，定義為冗余節點，將該節點從拓撲地圖中刪除；

6)拓撲地圖閉環檢測策略；

對于存在閉環的場景，需要對于拓撲地圖進行閉環檢測，以便建立更加合理的拓撲地圖，為后續導航工作獲取最佳導航路徑；拓撲地圖的閉環檢測根據以下三條規則確定：

規則一：節點A與節點B的id序號之差大于一個安全閾值；

規則二：節點A與節點B能夠直線到達，距離記為D(A,B)；

規則三：節點A與節點B根據已有的拓撲地圖計算出的一條可達且最短的拓撲路徑，長度為T(A,B)，且滿足D(A,B)<k*T(A,B)，k為比例系數；

以上三條規則滿足之后，即可在節點A與節點B之間添加一條邊，拓撲地圖完成一次閉環；

7)整體流程；

本方法引入兩種探索策略，分別為探索模式和回溯模式，這兩種模式在移動機器人自主探索的過程中自動切換；當前節點存在探索目標點時，機器人工作在探索模式以探索未知環境；選擇評價最優的探索目標點作為當前目標點；在探索的過程中，每行進一定步長或者到達目標點處，采集新的激光數據，然后開始下一次探索；

若當前節點沒有探索目標點且已到達上一時刻選出的目標點，那么系統將切換到回溯模式以遍歷未知環境；若全局拓撲地圖中存在未探索的目標點，則將距離機器人最近且含有未探索目標點的節點設為目標節點，否則將初始節點設置為目標節點；回溯路徑利用Dijkstra's算法在當前已有拓撲地圖上獲得，為一條在當前已有拓撲地圖上的到達目標節點的最短路徑。