[發明專利]一種適用于荒漠復雜地形的全覆蓋路徑規劃方法

有效

• 申請號: 202111180681.0
• 申請日: 2021-10-11
• 公開（公告）號: CN113867355B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 齊立哲;蘇昊;華中偉;何東東
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 天津企興智財知識產權代理有限公司 12226
• 代理人: 安孔川

1.一種適用于荒漠復雜地形的全覆蓋路徑規劃方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、基于平動分析和轉動分析，推導最優的遍歷方式；

S2、利用區域分解法，進行區域分解，便于對特殊地形執行特定的遍歷策略；

S3、設定區域內部的覆蓋和避障策略，以降低覆蓋區域內部時機器人的能量消耗；

步驟S2中，進行區域分解的具體方法如下：

對區域進行柵格劃分，依據柵格高度值的變化來表示地形的變化，在機器人所在柵格處，分別檢查相鄰的8個柵格的高度值，與當前所在柵格的高度值做對比，若發現存在高度值與當前所在柵格不同的柵格則視為地形變化，如果存在多個地形變化柵格，根據地形連續性，選取與當前柵格高度值最接近的柵格i作為地形的邊界，如式所示，并記錄下該點，作為回溯點；

i|min{|Hcurrent-Hi}

其中，Hcurrent表示當前柵格的高度值，Hi表示柵格i的高度值；

然后機器人行駛到i點，在相鄰柵格尋找與i點高度相同的柵格并移動到這些柵格上，直到遇到無法通過的障礙或再次回到i點，將得到的一系列點作為當前區域的邊界，完成區域分解；

步驟S3中，覆蓋策略的具體方法如下：

對當前點周圍的8個柵格賦予優先級，根據優先級選擇下一個遍歷的柵格，以降低覆蓋的重復率；

當沒有檢測到地形變化時，執行上述策略以實現在平地區域覆蓋；當檢測到地形變化時，首先將所在的柵格抽象為斜面，斜面包括三種特征，分別為高度h，坡度θ，方向t，其中h是柵格中心點的高度；將坡度超過一定閾值的柵格設置為障礙物，然后對其他的非障礙物柵格計算地形變化函數K；設當前柵格為current，所要計算的柵格為i，地形變化函數計算方法如下：

K＝A*|hi-hcurrent|+B*|ti-tcurrent|

其中，hi表示柵格i的高度，hcurrent為當前柵格高度，ti表示柵格i的傾斜方向，tcurrent為當前柵格的傾斜方向，A和B為系數，在相鄰柵格中選取K值最小的，作為下一個遍歷的柵格，當存在多個K值相同的柵格時，再根據優先級選取下一個遍歷的柵格。

2.根據權利要求1所述的適用于荒漠復雜地形的全覆蓋路徑規劃方法，其特征在于，步驟S1中，基于平動分析，推導最優的遍歷方式的具體方法如下：

機器人在地形上的運動相當于在不同角度的斜面上運動，設定表示機器人運動方向與斜面上的水平線的夾角，G表示重力，Ff表示輪子所受滾動摩擦力，Fr表示機器人的動力系統需要提供的力；

在大部分時間機器人處于勻速運動狀態，即沿著運動方向的合力為零，設機器人質量為m，對于上坡和下坡的情況分別能得到：

Fr＝mgsinφsinθ+μmgcosθ

Fr＝mgsinφsinθ-μmgcosθ

設機器人在此斜面上移動的距離為S，則消耗的能量為：

E＝FrS

由于上坡與下坡的總路程相同，則對上下坡的Fr取平均值：

Fr＝mgsinφsinθ

則能量消耗表示為：

E∝mgsinφsinθ；

當為0°時能量消耗最小，當為90°時能量消耗最大。

3.根據權利要求1所述的適用于荒漠復雜地形的全覆蓋路徑規劃方法，其特征在于，步驟S1中，基于轉動分析，推導最優的遍歷方式的具體方法如下：

機器人轉動的能量消耗公式如下：

其中，E為消耗的總能量，α_i為每次轉向的角度；

因此，減少覆蓋過程中的總轉向角度，可節約轉向耗費的能量。

4.根據權利要求1所述的適用于荒漠復雜地形的全覆蓋路徑規劃方法，其特征在于，在執行區域內部覆蓋時，還包括對區域內部的補充覆蓋，具體方法如下：

首先，在區域內部覆蓋過程中不把邊界包括在內；

其次，在對區域內部的覆蓋完成以后，令機器人回到回溯點，再次檢驗周圍的柵格高度，如有高度與回溯點高度相同的柵格，則遍歷這些柵格，這樣就完成了對邊界部分的補充覆蓋。