[發(fā)明專利]一種基于神經(jīng)形態(tài)硬件的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211476527.2
• 申請(qǐng)日: 2022-11-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115857492A
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-03-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 范成旺;劉小壯;呂艾芬;李高銘;尚德龍;周玉梅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中科南京智能技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G05D1/02
• 分類號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 賈瑞華

本發(fā)明涉及一種基于神經(jīng)形態(tài)硬件的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃裝置及方法。該裝置中全局地圖映射模塊根據(jù)全局地圖信息建立2D網(wǎng)格占位地圖，并將2D網(wǎng)格占位地圖映射為脈沖神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而將脈沖神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)部署于脈沖波前擴(kuò)散模塊的神經(jīng)形態(tài)硬件上；脈沖波前擴(kuò)散模塊根據(jù)神經(jīng)形態(tài)硬件以及目標(biāo)點(diǎn)位置坐標(biāo)完成脈沖波前擴(kuò)散過(guò)程，生成基于目標(biāo)點(diǎn)位置坐標(biāo)的脈沖發(fā)射時(shí)間梯度地圖；并將脈沖發(fā)射時(shí)間梯度地圖發(fā)送至最優(yōu)路徑查詢模塊；最優(yōu)路徑查詢模塊根據(jù)脈沖發(fā)射時(shí)間梯度地圖以及起始點(diǎn)位置坐標(biāo)進(jìn)行起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑查詢，并輸出路徑查詢結(jié)果。本發(fā)明能夠利用神經(jīng)形態(tài)硬件的并行計(jì)算特性快速高效率地取得最優(yōu)結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于神經(jīng)形態(tài)硬件的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃裝置及方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著科技的快速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人作為一個(gè)具備多項(xiàng)功能的綜合系統(tǒng)，在采礦、農(nóng)業(yè)、軍事以及工業(yè)制造等大多數(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，比如家用機(jī)器人、倉(cāng)庫(kù)管理機(jī)器人、搜索救援機(jī)器人、巡檢機(jī)器人等，這些機(jī)器人的出現(xiàn)改變了人類生活的方方面面。在上述應(yīng)用中，移動(dòng)機(jī)器人要想完成任務(wù)，無(wú)碰撞路徑規(guī)劃是一個(gè)先決條件，也是移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。

根據(jù)對(duì)環(huán)境信息的理解程度，可將移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃分為基于局部地圖信息的局部路徑規(guī)劃以及基于全局地圖信息的全局路徑規(guī)劃。局部路徑規(guī)劃主要為了實(shí)現(xiàn)局部未知?jiǎng)討B(tài)環(huán)境下的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，而全局路徑規(guī)劃則主要為了實(shí)現(xiàn)全局環(huán)境已知情況下的全局最優(yōu)規(guī)劃。

目前常見(jiàn)的全局路徑算法主要可以分為圖搜索類算法、隨機(jī)采樣算法、智能仿生算法。圖搜索類算法主要應(yīng)用于低維空間上的路徑規(guī)劃問(wèn)題，部分能夠?qū)崿F(xiàn)全局最優(yōu)路徑，具有較好的完備性，但由于是基于環(huán)境的完整建模過(guò)程，在高維空間中或隨著環(huán)境復(fù)雜度的增加搜索效率將大大降低(李曉旭，馬興錄，王先鵬.移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃算法綜述[J/OL].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制:1-11.)；隨機(jī)采樣算法適用于存在運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，狀態(tài)空間維度大的規(guī)劃問(wèn)題，具有概率完備性，但是存在需要耗費(fèi)大量計(jì)算資源、系統(tǒng)運(yùn)算實(shí)時(shí)性差、結(jié)果非最優(yōu)路徑等不足(王全.基于RRT的全局路徑規(guī)劃方法及其應(yīng)用研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.)；智能仿生算法具有全局搜索能力較強(qiáng)、不需要建立數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，但是也存在算法收斂速度較慢、規(guī)劃路徑時(shí)間較長(zhǎng)，容易陷入局部最優(yōu)的問(wèn)題(張帆.移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃算法研究[D].西安電子科技大學(xué)，2021.)。且上述算法目前都是使用基于串行計(jì)算的馮諾依曼架構(gòu)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，而串行計(jì)算的效率一般都較低。

總之，目前上述技術(shù)針對(duì)全局路徑規(guī)劃問(wèn)題的計(jì)算快速性和結(jié)果最優(yōu)性無(wú)法同時(shí)很好的滿足。而快速獲取最優(yōu)路徑則對(duì)于提高移動(dòng)機(jī)器人的工作效率、降低其損耗十分有意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于神經(jīng)形態(tài)硬件的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃裝置及方法，能夠利用神經(jīng)形態(tài)硬件的并行計(jì)算特性快速高效率地取得最優(yōu)結(jié)果。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種基于神經(jīng)形態(tài)硬件的機(jī)器人全局路徑規(guī)劃裝置，包括：全局地圖映射模塊、脈沖波前擴(kuò)散模塊以及最優(yōu)路徑查詢模塊；

所述全局地圖映射模塊用于根據(jù)全局地圖信息建立2D網(wǎng)格占位地圖，并將所述2D網(wǎng)格占位地圖映射為脈沖神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而將脈沖神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)部署于脈沖波前擴(kuò)散模塊的神經(jīng)形態(tài)硬件上；所述神經(jīng)形態(tài)硬件為用于模擬脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超大規(guī)模集成電路VLSI以及組成的可擴(kuò)展系統(tǒng)；

所述脈沖波前擴(kuò)散模塊分別與所述全局地圖映射模塊以及所述最優(yōu)路徑查詢模塊連接；所述脈沖波前擴(kuò)散模塊用于根據(jù)神經(jīng)形態(tài)硬件以及目標(biāo)點(diǎn)位置坐標(biāo)完成脈沖波前擴(kuò)散過(guò)程，生成基于所述目標(biāo)點(diǎn)位置坐標(biāo)的脈沖發(fā)射時(shí)間梯度地圖；并將所述脈沖發(fā)射時(shí)間梯度地圖發(fā)送至所述最優(yōu)路徑查詢模塊；

所述最優(yōu)路徑查詢模塊用于根據(jù)所述脈沖發(fā)射時(shí)間梯度地圖以及起始點(diǎn)位置坐標(biāo)進(jìn)行起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑查詢，并輸出路徑查詢結(jié)果。