[發(fā)明專利]一種基于局部最優(yōu)卷積評價的機器人路徑規(guī)劃方法

在審

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• 申請日: 2021-02-04
• 公開（公告）號: CN112947434A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 謝非;吳奕之;吳啟宇;楊繼全;劉宗熙;李群召;劉叢昊;張瑞;凌旭
• 申請（專利權(quán)）人: 南京師范大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 向文

本發(fā)明公開了一種基于局部最優(yōu)卷積評價的機器人路徑規(guī)劃方法，包括：移動機器人建立工作環(huán)境的二維網(wǎng)格化地圖，確定出發(fā)點與目標(biāo)點位置；移動機器人感知當(dāng)前位置周圍的環(huán)境信息，從候選移動方向中篩選出可行移動方向；計算各可行移動方向上的單位向量在目標(biāo)點距離函數(shù)負(fù)梯度方向上的投影，獲取局部最優(yōu)移動方向；利用卷積評價指標(biāo)檢驗局部最優(yōu)移動方向的合理性；在初次路徑規(guī)劃未能找到可行路徑時，進行二次路徑規(guī)劃，并取消對局部最優(yōu)移動方向合理性的檢驗環(huán)節(jié)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)移動機器人在未知環(huán)境下的路徑規(guī)劃，決策思路符合移動機器人的實際運行特點，具有運算量小、遍歷性強、運行效率高的優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機器人學(xué)及導(dǎo)航學(xué)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于局部最優(yōu)卷積評價的機器人路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

移動機器人的路徑規(guī)劃問題是機器人技術(shù)在消防救災(zāi)、醫(yī)療服務(wù)、工業(yè)巡檢等眾多領(lǐng)域投入應(yīng)用所必須攻破的難點。目前廣泛應(yīng)用于移動機器人路徑規(guī)劃的方法主要有A*算法、蟻群算法、人工勢場法等。A*算法建立在機器人擁有全局環(huán)境地圖的基礎(chǔ)上，如果直接應(yīng)用于未知環(huán)境中，將因規(guī)劃過程中路徑的跳變使規(guī)劃效率變得極低；蟻群算法需要生成大量虛擬個體對地圖進行探索，一定程度上僅適合在實驗仿真中使用，難以具備實際操作性；人工勢場法存在易陷入局部平衡點的問題，盡管目前針對人工勢場法存在眾多優(yōu)化方案，但在復(fù)雜大環(huán)境下的路徑規(guī)劃魯棒性仍然存在缺陷。

經(jīng)過對上述及其它路徑規(guī)劃方法的研究，發(fā)現(xiàn)深度優(yōu)先搜索算法從行為上符合移動機器人在未知環(huán)境中的工作特點，但傳統(tǒng)深度優(yōu)先搜索算法不具備啟發(fā)性，且僅能進行四個方向的移動，遍歷性強但效率低，效果也不理想。

所以，需要一個新的技術(shù)方案來解決這個問題。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于局部最優(yōu)卷積評價的機器人路徑規(guī)劃方法，以解決現(xiàn)有方法對移動機器人在未知環(huán)境中的路徑規(guī)劃運行效率低、魯棒性差、難以投入實際應(yīng)用的問題。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于局部最優(yōu)卷積評價的機器人路徑規(guī)劃方法，包括如下步驟：

S1：建立移動機器人工作環(huán)境的二維網(wǎng)格化地圖，確定出發(fā)點與目標(biāo)點位置；

S2：移動機器人感知相鄰節(jié)點的環(huán)境信息，并從8個候選移動方向中篩選出可行移動方向；

S3：若存在可行移動方向，則計算各可行移動方向上的單位向量在目標(biāo)點距離函數(shù)負(fù)梯度方向上的投影值，選取單位方向向量在目標(biāo)點距離函數(shù)負(fù)梯度方向上的投影值最大的可行移動方向作為局部最優(yōu)移動方向；若不存在可行移動方向，則移動機器人認(rèn)定是否需要返回父節(jié)點；

S4：通過局部最優(yōu)卷積評價方法判斷局部最優(yōu)移動方向是否具備合理性，若具備合理性，移動機器人向局部最優(yōu)移動方向移動至相鄰節(jié)點；若不具備合理性，移動機器人認(rèn)定需要返回父節(jié)點；

S5：當(dāng)移動機器人認(rèn)定需要返回父節(jié)點時，若當(dāng)前節(jié)點不是出發(fā)點，即當(dāng)前節(jié)點存在父節(jié)點，則移動機器人正常返回父節(jié)點，并稱機器人進行了一次“后退”操作。；若當(dāng)前節(jié)點是出發(fā)點，即當(dāng)前節(jié)點不存在父節(jié)點，如果當(dāng)前階段為初次路徑規(guī)劃，則初次路徑規(guī)劃結(jié)束，進行二次路徑規(guī)劃；如果當(dāng)前階段為二次路徑規(guī)劃，則表明不存在可行路徑，路徑規(guī)劃失??；

S6：路徑規(guī)劃開始時移動機器人處于初次路徑規(guī)劃階段。移動機器人在進行初次路徑規(guī)劃時，重復(fù)上述步驟S2至步驟S4，直至到達目標(biāo)點或進入二次路徑規(guī)劃階段；移動機器人在進行二次路徑規(guī)劃時，重復(fù)上述步驟S2至步驟S3，并且不檢驗局部最優(yōu)移動方向的合理性，直接向局部最優(yōu)移動方向進行移動，直至到達目標(biāo)點或路徑規(guī)劃失敗。

進一步地，所述步驟S1具體為：

A1：建立移動機器人工作環(huán)境的二維網(wǎng)格化地圖，地圖中的每一網(wǎng)格為地圖的一個節(jié)點，節(jié)點形狀為正方形，取正右方為橫軸正方向，正上方為縱軸正方向；