[發(fā)明專利]一種虛實耦合約束環(huán)境下的機器人自主導航方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011246296.7
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112304318B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設計）人: 劉今越;劉子毅;孫晨昭;李鐵軍;賈曉輝
• 申請（專利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 天津翰林知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 王瑞

1.一種虛實耦合約束環(huán)境下的機器人自主導航方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

第一步、虛擬空間的搭建：建立建筑物的BIM模型，再對BIM模型的信息進行提取，得到建筑物實體的位置信息；建筑物實體的位置信息和BIM模型構(gòu)成虛擬空間；

第二步、虛實耦合約束環(huán)境的構(gòu)建；

步驟1、由機器人得到周圍環(huán)境的點云模型；

步驟2、根據(jù)第一步中得到的建筑物實體的位置信息，基于模型邊界點的匹配方法將BIM模型中的邊界點與點云模型中對應的邊界點進行匹配，得到配準后的虛實耦合模型；

步驟3、將配準后的虛實耦合模型導入到物理引擎中，再在物理引擎中根據(jù)BIM模型與點云模型的建筑物實體屬性對配準后的虛實耦合模型添加包絡碰撞體，得到虛實耦合約束環(huán)境；

第三步、虛實耦合約束環(huán)境下的機器人全局路徑規(guī)劃；

步驟1、得到虛實耦合約束環(huán)境后，根據(jù)第一步得到的建筑物實體的位置信息進行柵格地圖構(gòu)建；

步驟2、得到柵格地圖后，應用改進的A^*算法進行機器人全局路徑規(guī)劃，得到最優(yōu)規(guī)劃路徑；

第四步、獲取現(xiàn)實環(huán)境信息并結(jié)合虛實耦合約束環(huán)境，再考慮機器人的輪廓特征，在最優(yōu)規(guī)劃路徑的相鄰節(jié)點之間應用改進的DWA算法進行機器人局部避障；

第四步具體是：在機器人所能達到的速度窗口(v,w)中存在無窮多組速度，設定機器人采樣速度的限制條件，再根據(jù)采樣速度的限制條件篩選出符合條件的若干組速度，并得到機器人在這些速度下Δt時間間隔內(nèi)的各自的軌跡；再通過現(xiàn)實環(huán)境信息并結(jié)合虛實耦合約束環(huán)境，再考慮機器人的輪廓特征，在最優(yōu)規(guī)劃路徑的相鄰節(jié)點之間應用改進的DWA算法的安全評價函數(shù)G(v,w)篩選出最優(yōu)軌跡對應的速度v,w來控制機器人的運動，進行局部避障；

改進的DWA算法的安全評價函數(shù)G(v,w)具體是：設雷達的最大測量范圍為d_max，視場為[φ_min,φ_max]，角度分辨率為Δφ，機器人航向?qū)膾呙杞嵌葹棣?Sub>rob；每次掃描后，得到的測量距離為{d₁,d₂,d₃,...,d_k}，測量角度為φ_k＝φ_min+(k-1)Δφ，測量到障礙物邊緣的距離和角度分別為d_j和φ_j，根據(jù)已知的機器人輪廓參數(shù)r_rob對障礙物邊緣進行擴展，擴展角度θ_j＝arctan(r_rob/d_j)；

設可通過的角度區(qū)間的區(qū)間中點為φ_mid，當前軌跡對應的角度為φ_rob，以區(qū)間[φ₁+θ₁,φ₂-θ₂]為例，其現(xiàn)實環(huán)境中安全角度評價函數(shù)為：

以雷達所在位置為起點，雷達搭載在機器人上，在φ_{i_o}方向到虛實耦合約束環(huán)境中障礙物的距離為l_{i_o}，該方向與相鄰障礙物的夾角為θ_{i_o}；l_{i_o}反應了φ_{i_o}方向在虛實耦合約束環(huán)境中的安全距離評價，θ_{i_o}反應了φ_{i_o}方向在虛實耦合約束環(huán)境中的安全角度評價，d_σ為虛實耦合約束環(huán)境下安全距離閾值，則虛實耦合約束環(huán)境中安全距離評價函數(shù)為：

虛實耦合約束環(huán)境中角度的評價函數(shù)為：

a(φ_{i_o})＝θ_{i_o} (19)

虛實耦合約束環(huán)境中安全評價函數(shù)為：

couple(v,w,φ_{i_o})＝μ·a(v,w,φ_{i_o})+ν·l(v,w,φ_{i_o}) (20)

式20)中，μ,ν為安全評價系數(shù)；

因此，結(jié)合虛實耦合約束環(huán)境得到改進的DWA算法的安全評價函數(shù)為：

式21)中，heading(v,w)為方向角評價函數(shù)，表示機器人在當前的采樣速度下，達到模擬軌跡末端時的朝向和目標之間的角度差距；velocity(v,w)為當前模擬速度的大小；angle(v,w,φ_{i_o})為現(xiàn)實環(huán)境中安全角度評價函數(shù)；couple(v,w,φ_{i_o})為虛實耦合約束環(huán)境中安全評價函數(shù)，ε為平滑函數(shù)；α,β,γ,ω,χ為加權(quán)系數(shù)。