[發明專利]一種虛實耦合約束環境下的機器人自主導航方法

有效

• 申請號: 202011246296.7
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112304318B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 劉今越;劉子毅;孫晨昭;李鐵軍;賈曉輝
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 王瑞

本發明公開了一種虛實耦合約束環境下的機器人自主導航方法，包括虛擬空間的搭建，虛實耦合約束環境的構建，虛實耦合約束環境下應用改進的A^*算法進行機器人全局路徑規劃，得到最優規劃路徑，獲取現實環境信息并結合虛實耦合約束環境，再考慮機器人的輪廓特征，在最優規劃路徑的相鄰節點之間應用改進的DWA算法進行機器人局部避障。本方法采用BIM模型與三維重建獲得的點云模型耦合的方法，建立建筑機器人工作的虛實耦合約束環境；結合虛實耦合約束環境數據，考慮機器人的安全性與通過性改進A^*算法，刪除冗余轉折點；根據虛實耦合約束環境數據對DWA算法進行改進，使機器人在復雜環境下繞過局部最小陷阱。

技術領域

本發明涉及移動機器人自主導航領域，具體是一種虛實耦合約束環境下的機器人自主導航方法。

背景技術

近年來，智能建造是現代建筑業與新一代信息技術融合的最新研究領域。伴隨著建筑工業化的發展，它將顛覆傳統建造模式，催生一系列的新技術和新業態。發展智能化的建筑機器人已成為必然趨勢，自主路徑規劃與實時避障是實現建筑機器人自主作業的關鍵技術。當前，SLAM方法是移動機器人領域解決環境感知與定位導航的有效手段之一。現有建筑機器人的質量和體積較大且作業空間受限，并不適合應用傳統SLAM方法建立完整的環境地圖，且建筑機器人施工環境已知，因此，迫切需要一種基于已知復雜建筑施工環境的自主導航方式，考慮建筑機器人的輪廓特征的安全性與通過性，并提升路徑的平滑度。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種虛實耦合約束環境下的機器人自主導航方法。

本發明解決所述技術問題的技術方案是，提供一種虛實耦合約束環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模型構成虛擬空間；

第二步、虛實耦合約束環境的構建；

步驟1、由機器人得到周圍環境的點云模型；

步驟2、根據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境；

第三步、虛實耦合約束環境下的機器人全局路徑規劃；

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

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劃，得到最優規劃路徑；

第四步、獲取現實環境信息并結合虛實耦合約束環境，再考慮機器人的輪廓特征，在最優規劃路徑的相鄰節點之間應用改進的DWA算法進行機器人局部避障。

與現有技術相比，本發明有益效果在于：

1、本方法采用BIM模型與三維重建獲得的點云模型耦合的方法，建立建筑機器人工作的虛實耦合約束環境；結合虛實耦合約束環境數據，考慮機器人的安全性與通過性改進A^*算法，刪除冗余轉折點；根據虛實耦合約束環境數據對DWA算法進行改進，使機器人在復雜環境下繞過局部最小陷阱。

2、現有解決環境感知與定位導航的SLAM方法需要對未知環境下進行完整的巡視，對于自身輪廓較大且作業空間受限的建筑機器人很難應用現有方法進行完整信息獲取。本發明搭建的虛實耦合約束環境可以使機器人的工作環境由未知變為已知，從而在已知環境下進行機器人全局路徑規劃與局部避障。