[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

本發明提供了一種適用于荒漠復雜地形的全覆蓋路徑規劃方法，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。本發明所述的方法可以在無需事先構建全局地圖的情況下，規劃出適用于復雜地形下的全覆蓋路徑。

技術領域

本發明屬于荒漠環境中路徑規劃技術領域，尤其是涉及一種適用于荒漠復雜地形的全覆蓋路徑規劃方法。

背景技術

由于我國人口眾多，耕地面積相對不足，為了保證糧食供應，歷史上曾有過長期的無節制的開荒耕種，結果導致土地退化，荒漠化日益嚴重。據統計，我國荒漠化土地面積占國土面積達四分之一以上。荒漠化會破壞鐵路、電力線路等基礎設施，造成沙塵暴等惡劣天氣狀況，直接危害到自然生態平衡和人們的生存環境。土地荒漠化已經成為影響我國推進生態文明建設，實現經濟可持續發展的重要制約因素。因此，治理荒漠化也一直是國家和地方都非常重視的問題。近年來，許多大規模的荒漠種植工程在中國寧夏、新疆、內蒙古等地展開，在荒漠治理上取得了比較好的效果。實踐證明，治理荒漠化最有效、最徹底的方法就是通過種植植物，固沙治沙，逐步改變沙漠土壤環境，恢復生態。但是，當前的荒漠造林主要依靠人工種植養護，需要消耗大量人力，而且工作條件也比較惡劣。如果能用機器代替人，用自動化、智能化的方式完成種植和養護的工作，必定能提高治理效率、節約治理成本。

荒漠種植機器人是一種為荒漠種植而設計的機器人。它能夠在荒漠中自主移動和導航，完成治沙植物的種植和養護。為了完成這些功能并且實現整個過程的自動化，自主路徑規劃是必不可少的一部分。

路徑規劃，指的是機器人根據自身結構以及外部環境信息，規劃出滿足任務需要的運動軌跡。對于荒漠種植機器人而言：

在種植任務中，機器人需要在一片區域內按照一定間距完全覆蓋式播種，同時避開障礙物以及不適宜播種的區域，在這個過程中，整個工作區域的全局地圖是未知的，需要設計在線式的全覆蓋路徑規劃算法。與其他環境相比，荒漠環境地面高度起伏變化較大，地形比較復雜，對機器人作業的安全性和效率提出了挑戰。因此荒漠種植機器人的路徑規劃要能夠適應復雜地形的特點。目前路徑規劃方面的相關研究多數針對二維平面的地圖進行，應用到三維地形的路徑規劃還研究較少，無法滿足荒漠種植機器人的需要。

發明內容

有鑒于此，為克服上述缺陷，本發明旨在提出一種針對荒漠環境等復雜地形的全覆蓋路徑規劃方法。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一方面，本發明提供了一種適用于荒漠復雜地形的全覆蓋路徑規劃方法，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。

進一步的，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，F_f表示輪子所受滾動摩擦力，F_r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：

F_r＝mg?sinφsinθ+μmg?cosθ

F_r＝mg?sinφsinθ-μmg?cosθ

設機器人在此斜面上移動的距離為S，則消耗的能量為：