[發(fā)明專利]一種移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航軟件框架及導(dǎo)航方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010633945.2
• 申請(qǐng)日: 2020-07-02
• 公開（公告）號(hào): CN111830977A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊甜甜;蘇治寶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)兵器科學(xué)研究院;中國(guó)北方車輛研究所
• 主分類號(hào): G05D1/02
• 分類號(hào): G05D1/02;G01C21/20
• 代理公司: 北京中創(chuàng)云知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11837
• 代理人: 徐輝

本發(fā)明涉及一種移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航軟件框架及導(dǎo)航方法，軟件框架分為用戶接口層、自主導(dǎo)航層、系統(tǒng)監(jiān)視層、設(shè)備層和底層應(yīng)用層等5個(gè)層次。每個(gè)功能模塊按獨(dú)立線程運(yùn)行，模塊之間通過共享內(nèi)存的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。軟件框架將感知、規(guī)劃與執(zhí)行模塊分開，可以適應(yīng)不同驅(qū)動(dòng)形式的平臺(tái)、不同的傳感器配置和不同的任務(wù)。規(guī)范定義了導(dǎo)航系統(tǒng)中地圖、路徑、分類器、任務(wù)、路徑規(guī)劃器等常用的抽象接口，定義了常用坐標(biāo)系以及傳感器和功能模塊涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。底層應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了線程、數(shù)學(xué)運(yùn)算、日志、硬件接口訪問；設(shè)備層實(shí)現(xiàn)了功能模塊的定義與基本操作，實(shí)現(xiàn)了常用設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能，具有較為完備的底層功能，可支持敏捷化開發(fā)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航軟件框架及導(dǎo)航方法。

背景技術(shù)

為了提高軟件開發(fā)的“起點(diǎn)”，加快開發(fā)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，基于框架開發(fā)已經(jīng)成為一種普遍現(xiàn)象。一個(gè)項(xiàng)目采用一個(gè)或多個(gè)第三方框架是很常見的事情，例如Swing、.NET和MFC等都是流行的框架。

從概念角度講，框架是一個(gè)可實(shí)例化的、部分完成的軟件系統(tǒng)，它為系統(tǒng)定義了架構(gòu)，并提高了構(gòu)造系統(tǒng)的基本構(gòu)造塊，還為實(shí)現(xiàn)特定功能定義了可調(diào)整點(diǎn)。從實(shí)現(xiàn)角度講，框架是一組抽象類，定義了它們各自的責(zé)任和相互之間的協(xié)作，形成某類軟件的一個(gè)可復(fù)用設(shè)計(jì)。開發(fā)者通過繼承框架類和組合其實(shí)例來定制生成特定的應(yīng)用。

對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航而言，一般采用“感知-規(guī)劃-執(zhí)行”的慎思式控制架構(gòu)，該控制架構(gòu)具有通用的信息流程和運(yùn)行邏輯，這就為開發(fā)通用化的軟件框架提供了基礎(chǔ)。另外，為了加快產(chǎn)品開發(fā)速度，并充分利用已有的研究成果，開發(fā)一種高度通用、易于擴(kuò)展、底層功能完備的移動(dòng)機(jī)器人軟件框架非常有必要。

目前，在機(jī)器人領(lǐng)域有許多開源的軟件框架。例如，由美國(guó)南加州大學(xué)開發(fā)的免費(fèi)平臺(tái)Player/Stage，包含網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部分Player和機(jī)器人平臺(tái)仿真部分Stage，主要用于機(jī)器人仿真研究，但其擴(kuò)展機(jī)制較為復(fù)雜。ROS是開源的機(jī)器人次級(jí)操作系統(tǒng)，它提供類似操作系統(tǒng)的功能，包括硬件抽象描述、底層驅(qū)動(dòng)程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間消息的傳遞、程序發(fā)行包管理等，ROS的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高代碼復(fù)用率。ROS采用分布式處理框架，并基于進(jìn)程實(shí)現(xiàn)模塊間P2P通信，但ROS本身不具有實(shí)時(shí)性。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)基于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)參考模型開發(fā)了實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(RCS)軟件庫(kù)，可用于實(shí)時(shí)智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該庫(kù)基于進(jìn)程運(yùn)行，在統(tǒng)一節(jié)點(diǎn)模型下，實(shí)現(xiàn)了上下層節(jié)點(diǎn)間的通信，因此從實(shí)現(xiàn)的角度講，它是一個(gè)通信中間件，缺乏必要的底層功能，不能稱之為軟件框架。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服已有框架的上述缺陷，本發(fā)明提供一種移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航軟件框架及導(dǎo)航方法，各功能模塊以獨(dú)立線程運(yùn)行，底層功能完備，具備通用化的自主導(dǎo)航運(yùn)行流程，規(guī)范化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并可部署在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航軟件框架，包括用戶接口層、自主導(dǎo)航層、系統(tǒng)監(jiān)視層、設(shè)備層和底層應(yīng)用層；

所述用戶接口層通過通信模塊與用戶交互；

所述自主導(dǎo)航層根據(jù)任務(wù)路徑、通過成本地圖和機(jī)器人當(dāng)前的位置與姿態(tài)規(guī)劃當(dāng)前的目標(biāo)路徑，基于當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人的位置與姿態(tài)、速度和當(dāng)前的目標(biāo)路徑生成控制移動(dòng)機(jī)器人本體機(jī)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制指令；

所述系統(tǒng)監(jiān)視層收集機(jī)器人狀態(tài)、監(jiān)視安全避碰距離以及通信鏈路連接狀態(tài)，當(dāng)判斷移動(dòng)機(jī)器人存在碰撞危險(xiǎn)或通信鏈路處于斷開狀態(tài)時(shí)發(fā)出停止指令；

所述設(shè)備層實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人感知和定位的傳感器模塊的訪問，將所述運(yùn)動(dòng)控制指令輸入給所述移動(dòng)機(jī)器人本體的平臺(tái)操控器模塊執(zhí)行；

所述底層應(yīng)用層用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，記錄日志，對(duì)關(guān)鍵事件和數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。