[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于時(shí)序信息建模的機(jī)器人無(wú)地圖導(dǎo)航方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110018866.5
• 申請(qǐng)日: 2021-01-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112857370A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅定生;吳璽宏;張佳男;方帥;劉天林;林惟凱;方鴻宇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01C21/20
• 分類(lèi)號(hào): G01C21/20;G01C21/00
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11200
• 代理人: 司立彬

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于時(shí)序信息建模的機(jī)器人無(wú)地圖導(dǎo)航方法，其步驟包括：1)基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航模型，該機(jī)器人導(dǎo)航模型含有移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人上的傳感器信息、場(chǎng)景中的目標(biāo)位置信息到移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行速度指令的映射關(guān)系；移動(dòng)機(jī)器人按照該機(jī)器人導(dǎo)航模型輸出的速度指令到達(dá)導(dǎo)航目標(biāo)位置；2)獲取或構(gòu)建導(dǎo)航數(shù)據(jù)集作為監(jiān)督數(shù)據(jù)訓(xùn)練該移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航模型；3)通過(guò)該移動(dòng)機(jī)器人搭載的激光雷達(dá)獲取傳感器數(shù)據(jù)，使用定位技術(shù)獲取場(chǎng)景中的目標(biāo)位置信息，然后通過(guò)訓(xùn)練后的該移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航模型計(jì)算該移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行速度指令，通過(guò)執(zhí)行速度指令操控該移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置。本發(fā)明能夠讓移動(dòng)機(jī)器人獲得避障導(dǎo)航能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信息科學(xué)領(lǐng)域，涉及一種導(dǎo)航方法，具體涉及一種基于時(shí)序信息建模的機(jī)器人無(wú)地圖導(dǎo)航方法。

背景技術(shù)

至今，機(jī)器人已在工業(yè)制造、家庭服務(wù)、星際探測(cè)、軍事偵察等領(lǐng)域創(chuàng)造了巨大的價(jià)值。相比于常用在工業(yè)領(lǐng)域的固定結(jié)構(gòu)機(jī)器人，移動(dòng)機(jī)器人的重要特點(diǎn)就是其機(jī)動(dòng)性與靈活性，為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性，自主導(dǎo)航是必不可少的技術(shù)之一。自主導(dǎo)航是指移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)雷達(dá)、聲納、攝像頭等傳感器，感知外部環(huán)境信息，結(jié)合自身狀態(tài)信息，完成在有障礙物環(huán)境下無(wú)碰撞地到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)地自主運(yùn)動(dòng)過(guò)程。移動(dòng)機(jī)器人具備高效、可靠的導(dǎo)航功能，才能更好的應(yīng)用在工業(yè)、服務(wù)、軍事等方面，為社會(huì)帶來(lái)更高的價(jià)值。

機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)可分為兩種情況：面對(duì)已知環(huán)境和面對(duì)未知環(huán)境。面對(duì)已知環(huán)境是指機(jī)器人具備環(huán)境的導(dǎo)航地圖，在此種狀況下，可使用基于地圖的導(dǎo)航方法。機(jī)器人所使用的導(dǎo)航地圖一般通過(guò)SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)來(lái)構(gòu)建，之后使用路徑規(guī)劃算法來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人路徑實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。圖1為基于地圖的機(jī)器人導(dǎo)航示例。

基于地圖的導(dǎo)航機(jī)器人方法需要花費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間來(lái)構(gòu)建環(huán)境地圖，對(duì)陌生環(huán)境無(wú)法適應(yīng)。面對(duì)未知環(huán)境下的情況下的機(jī)器人導(dǎo)航也被稱(chēng)為無(wú)地圖導(dǎo)航，常用的傳統(tǒng)算法有動(dòng)態(tài)窗口算法，D*算法，向量直方圖算法等。除此之外，隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，基于學(xué)習(xí)的方法也逐漸成為無(wú)地圖導(dǎo)航方法研究的主流，可以使用無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法，認(rèn)為機(jī)器人導(dǎo)航過(guò)程具有馬爾可夫性，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)對(duì)導(dǎo)航建模，機(jī)器人學(xué)習(xí)針對(duì)當(dāng)前狀態(tài)如何做出合適的動(dòng)作，通過(guò)隨機(jī)探索來(lái)完成導(dǎo)航策略的學(xué)習(xí)。但是基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的無(wú)監(jiān)督方法，學(xué)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)利用率低，模型難以收斂，且導(dǎo)航效果無(wú)法保障。針對(duì)此問(wèn)題，有學(xué)者使用基于監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法來(lái)解決導(dǎo)航問(wèn)題，獲取導(dǎo)航監(jiān)督數(shù)據(jù)之后，搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型擬合導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)傳感器獲取外部環(huán)境信息，前人工作中，通常將傳感器信息直接用全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，或者使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取傳感器數(shù)據(jù)特征。但這些方法對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)序特性提供的信息利用不充分，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中對(duì)時(shí)變的對(duì)象(如動(dòng)態(tài)障礙物)不能很好預(yù)測(cè)，因此帶來(lái)復(fù)雜動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中導(dǎo)航性能的顯著下降。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)器人無(wú)地圖導(dǎo)航方法，本發(fā)明基于時(shí)序信息建模的移動(dòng)機(jī)器人無(wú)地圖導(dǎo)航方法，通過(guò)構(gòu)建大規(guī)模導(dǎo)航數(shù)據(jù)集，針對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)中的時(shí)序信息建模，獲得性能更佳的導(dǎo)航模型。在任意環(huán)境下，通過(guò)現(xiàn)有定位技術(shù)獲取目標(biāo)位置信息，機(jī)器人躲避環(huán)境中的障礙物到達(dá)目標(biāo)位置，可用于商場(chǎng)機(jī)器人購(gòu)物車(chē)自動(dòng)尋人、醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人自動(dòng)尋人等場(chǎng)景。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于時(shí)序信息建模的機(jī)器人無(wú)地圖導(dǎo)航方法，其步驟包括：

基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航模型，該機(jī)器人導(dǎo)航模型含有移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人上的傳感器信息、場(chǎng)景中的目標(biāo)位置信息到移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行速度指令的映射關(guān)系；移動(dòng)機(jī)器人按照該機(jī)器人導(dǎo)航模型輸出的速度指令到達(dá)導(dǎo)航目標(biāo)位置；

獲取或構(gòu)建導(dǎo)航數(shù)據(jù)集作為監(jiān)督數(shù)據(jù)訓(xùn)練該移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航模型；