[發明專利]一種非規則形狀移動機器人的路徑規劃方法

有效

• 申請號: 202010157313.3
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111474925B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 趙湛;朱安靜;路恩;金明志
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種非規則形狀移動機器人的路徑規劃方法，包括以下步驟：將機器人的二維工作空間均勻劃分成拓撲的工作空間網絡T，并進行生物神經動力學迭代計算，構成工作空間的生物神經網絡S；根據移動機器人的形狀特征構成核矩陣；將核矩陣與工作空間的生物神經網絡進行卷積計算，獲得機器人在網絡節點的移動狀態矩陣和轉動狀態矩陣；以機器人在工作空間初始位置和方向為初始條件，逐步迭代搜索，構建從初始狀態到目標狀態的節點樹Tree；反向搜索節點樹Tree，獲得機器人的規劃路徑。機器人可以是任意非規則形狀，考慮了機器人的在平面空間的3自由度運動，并且在卷積計算中增加安全系數因子，控制規劃路徑與障礙物之間的距離，調節行使路徑的安全性。

技術領域

本發明屬于移動機器人路徑規劃技術領域，具體涉及一種非規則形狀移動機器人的路徑規劃方法。

背景技術

路徑規劃是移動機器人研究領域的一個核心問題，它的目標就是在工作環境中尋找一條連接機器人當前狀態和目標狀態的行使路線，并且避免與環境中的障礙物發生碰撞。目前，路徑規劃的研究方法包括細胞分解法、人工勢場法以及各類智能算法等，但這些方法主要是針對單點機器人，即將機器人視為形狀規則的單個元素，以機器人的尺寸對工作空間進行網絡劃分，在此基礎上進行路徑規劃，路徑規劃算法中只考慮機器人的2自由度移動。實際情況下，大多數機器人的形狀是非規則的，非規則形狀機器人的路徑規劃不僅需要考慮2自由度移動，還需要考慮其轉動，例如，在某些復雜環境下，受到障礙物的影響，機器人只能作移動運動或在一定角度范圍內轉動，這些是路徑規劃中的重要約束。其次，工作空間中的障礙物有可能比機器人的尺寸要小，現在的解決辦法是將障礙物形狀進行拓展，即劃分的工作空間網格內只要有障礙物，就將整個網格均視為障礙物，這就造成可能的行使路徑被忽略了，即所謂的“path blocked”問題。此外，路徑規劃中，還需要考慮機器人行使的安全性，避免“too close”或者“too far”問題。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提出了一種非規則形狀移動機器人的路徑規劃方法，本發明是將生物神經網絡和卷積神經網絡相融合，可以控制路徑安全性的規劃方法，以解決復雜環境下、非規則形狀移動機器人的路徑規劃難題。該方法將機器人的工作空間均勻劃分成拓撲網絡結構，并進行生物神經動力學迭代計算，采用迭代計算穩定后的網絡節點函數值描述工作空間的環境信息；根據移動機器人的形狀特征構成核矩陣，將核矩陣與工作空間的生物神經網絡進行卷積計算，獲得機器人在網絡節點的移動狀態矩陣和轉動狀態矩陣；以機器人在工作空間初始節點位置和方向為初始條件，逐步迭代搜索，構建從初始狀態到目標狀態的節點樹，最后反向搜索節點樹，獲得機器人的規劃路徑。

路徑規劃中，機器人和目標均包括x、y坐標和方向θ三維狀態參數，考慮了機器人的2自由度移動和1自由度轉動運動，并且可以通過調節卷積計算中的安全系數因子，控制規劃路徑與障礙物之間的距離，調節機器人行使路徑的安全性。

本發明的技術方案是：一種非規則形狀移動機器人的路徑規劃方法，包括以下步驟：

構建工作空間網絡：將機器人的二維工作空間均勻劃分成拓撲的工作空間網絡T，并對工作空間網絡T進行生物神經動力學迭代計算，構成工作空間的生物神經網絡S，生物神經網絡S描述了整個工作空間的環境信息；

構建機器人形狀核矩陣：根據移動機器人的形狀特征構成核矩陣；

構建機器人的移動狀態矩陣和轉動狀態矩陣：將核矩陣與工作空間的生物神經網絡進行卷積計算，獲得機器人在網絡節點的移動狀態矩陣和轉動狀態矩陣；

構建節點樹Tree：以機器人在工作空間初始位置和方向為初始條件，逐步迭代搜索，構建從初始狀態到目標狀態的節點樹Tree；

生成規劃路徑：反向搜索節點樹Tree，獲得機器人的規劃路徑。

上述方案中，所述構建工作空間網絡的步驟具體為：