一種復(fù)雜形狀機(jī)器人避碰路徑的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復(fù)雜形狀機(jī)器人避碰路徑規(guī)劃，提出一種基于線段之間最短距離檢測(cè)的避碰方法，將人工勢(shì)場(chǎng)法和線段最短距離檢測(cè)法結(jié)合，利用當(dāng)前機(jī)器人所受的合力來控制機(jī)器人當(dāng)前的速度及旋轉(zhuǎn)角速度，并通過坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)的實(shí)時(shí)改變。針對(duì)不同復(fù)雜形狀的機(jī)器人和不同地圖環(huán)境，完成了機(jī)器人的避碰路徑規(guī)劃。本設(shè)計(jì)為機(jī)器人路徑規(guī)劃方法的進(jìn)一步實(shí)用化提供支撐。 <b/>
【專利說明】一種復(fù)雜形狀機(jī)器人避碰路徑的方法 所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機(jī)器人避碰路徑規(guī)劃，尤其涉及一種復(fù)雜形狀機(jī)器人避碰路徑的 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人技術(shù)是在新技術(shù)革命中迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，它在眾多科技領(lǐng)域 與生產(chǎn)部門中得到了廣泛的應(yīng)用。移動(dòng)機(jī)器人具有移動(dòng)能力，與其他固定式機(jī)器人比起來 具有一定優(yōu)勢(shì)，這使得它可以適應(yīng)更多的環(huán)境去代替我們完成一些高危工作，而在未知的 環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人通常會(huì)遇到形狀姿態(tài)各異的障礙物，如何及時(shí)有效地躲開這些障礙物成 為其性能衡量的重點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，而路徑規(guī)劃是移動(dòng) 機(jī)器人的一個(gè)重要問題，它的目標(biāo)是在一個(gè)存在障礙物的環(huán)境中，為移動(dòng)機(jī)器人尋找一條 無碰障路徑。在以往移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃中，多數(shù)將機(jī)器人簡化為圓形等簡單形狀，而為實(shí) 現(xiàn)機(jī)器人上加裝各類輔助設(shè)備的需求，需針對(duì)任意形狀的機(jī)器人，研究其在復(fù)雜環(huán)境下的 避碰路徑規(guī)劃問題。
[0003] 隨著計(jì)算機(jī)、智能控制、信息等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人性能的要求也越 來越高，希望給它添加更多功能使其能執(zhí)行更多更復(fù)雜的智能化作業(yè)，具有更廣泛的實(shí)用 性。但鑒于機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)和形狀的局限性，以往那些基于簡單形狀的移動(dòng)機(jī)器人并不能 滿足這樣的要求，研究形狀復(fù)雜的機(jī)器人避障問題成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)器人周圍的復(fù) 雜環(huán)境也對(duì)機(jī)器人的避碰路徑規(guī)劃提出了更高要求，一般將機(jī)器人路徑規(guī)劃按其周圍環(huán)境 信息程度分為兩種類型：全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。其中全局路徑規(guī)劃針對(duì)的是環(huán)境 信息都知道的情況，而局部路徑規(guī)劃針對(duì)的是環(huán)境信息未知或部分可知的情況。對(duì)于全局 路徑規(guī)劃避碰問題，之前已經(jīng)有一些效果很好的方法解決了，但對(duì)于環(huán)境不能完全明了的 局部路徑規(guī)劃避碰仍是比較棘手的問題。
[0004] 機(jī)器人的避碰路徑規(guī)劃一直以來都是機(jī)器人研究領(lǐng)域的難點(diǎn)，以往機(jī)器人路徑規(guī) 劃中，多數(shù)將機(jī)器人簡化為圓形等簡單形狀，而為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上加裝各類輔助設(shè)備的需求 (例如機(jī)械臂、測(cè)距儀等)，需針對(duì)任意形狀的機(jī)器人，研究其在復(fù)雜環(huán)境下的避碰路徑規(guī)劃 問題，為機(jī)器人路徑規(guī)劃方法的進(jìn)一步實(shí)用化提供支撐。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種復(fù)雜形狀機(jī)器人避碰路徑規(guī)劃。本設(shè)計(jì)提出一種基于 線段之間最短距離檢測(cè)的避碰方法，開發(fā)出一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀機(jī)器人避碰路徑規(guī)劃的 仿真平臺(tái)，為機(jī)器人路徑規(guī)劃方法的進(jìn)一步實(shí)用化提供了支撐。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的： 一種復(fù)雜形狀機(jī)器人避碰路徑的方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：檢測(cè)地 圖上有無目標(biāo)點(diǎn)： (1)沒有目標(biāo)點(diǎn)，則程序不會(huì)往下走，而是會(huì)循環(huán)地檢測(cè)直到檢測(cè)到目標(biāo)點(diǎn)為止； (2)檢測(cè)到有目標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)器人初始位置與目標(biāo)點(diǎn)的距離，然后判斷其距離是否大于 5.O： (a) 距離是在5.O這個(gè)范圍內(nèi)，則可以認(rèn)為機(jī)器人已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)； (b) 距離超過5.O這個(gè)范圍，機(jī)器人并未到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，需要尋址路徑規(guī)劃，程序繼續(xù)往 下走；引進(jìn)目標(biāo)牽引力使機(jī)器人動(dòng)起來，并檢測(cè)周圍600距離范圍內(nèi)是否存在障礙物，如果 沒有，則繼續(xù)前進(jìn)直到到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；如果有則對(duì)各障礙物進(jìn)行最短距離檢測(cè)，求出各障礙物 與機(jī)器人之間的距離，并將此距離返回值帶入到基于人工勢(shì)場(chǎng)的算法中從而控制機(jī)器人繞 過障礙物前行直到最終到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。
[0007] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜形狀機(jī)器人避碰路徑的方法，其特征在于：工作 原理是：機(jī)器人通過線段最短距離檢測(cè)將周圍檢測(cè)到的各障礙物距離矢量通過勢(shì)場(chǎng)函數(shù)轉(zhuǎn) 化為與距離相關(guān)的斥力界，其方向與距離矢量平行；而目標(biāo)點(diǎn)與機(jī)器人的距離及角度信息 則轉(zhuǎn)化為吸引力，*，這個(gè)力為一定值；將兩種勢(shì)場(chǎng)力均平移至機(jī)器人形心得到一個(gè)矢量和 為機(jī)器人在該力的作用下能夠合理的避開障礙物趨向目標(biāo)，需明確下一時(shí)刻機(jī)器人 的運(yùn)動(dòng)狀況，由于機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中不僅作平移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也在不斷做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；可通過 機(jī)器人每一時(shí)刻所受的合力&來控制其平動(dòng)加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)加速度以達(dá)到運(yùn)動(dòng)規(guī)劃目的； 具體分析過程如下： 將機(jī)器人所受合力在局部坐標(biāo)系下進(jìn)行分解： =Fx +Fj &沿機(jī)器人本體坐標(biāo)y軸方向，控制機(jī)器人每一時(shí)刻速度的變化;/^沿機(jī)器人局部本體 坐標(biāo)X軸方向，控制機(jī)器人每一時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程；

【權(quán)利要求】
1. 一種復(fù)雜形狀機(jī)器人避碰路徑的方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：檢測(cè) 地圖上有無目標(biāo)點(diǎn)： (1) 沒有目標(biāo)點(diǎn)，則程序不會(huì)往下走，而是會(huì)循環(huán)地檢測(cè)直到檢測(cè)到目標(biāo)點(diǎn)為止； (2) 檢測(cè)到有目標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)器人初始位置與目標(biāo)點(diǎn)的距離，然后判斷其距離是否大于 5.O： (a) 距離是在5.O這個(gè)范圍內(nèi)，則可以認(rèn)為機(jī)器人已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)； (b) 距離超過5.O這個(gè)范圍，機(jī)器人并未到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，需要尋址路徑規(guī)劃，程序繼續(xù)往 下走；引進(jìn)目標(biāo)牽引力使機(jī)器人動(dòng)起來，并檢測(cè)周圍600距離范圍內(nèi)是否存在障礙物，如果 沒有，則繼續(xù)前進(jìn)直到到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；如果有則對(duì)各障礙物進(jìn)行最短距離檢測(cè)，求出各障礙物 與機(jī)器人之間的距離，并將此距離返回值帶入到基于人工勢(shì)場(chǎng)的算法中從而控制機(jī)器人繞 過障礙物前行直到最終到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜形狀機(jī)器人避碰路徑的方法，其特征在于：工作原 理是：機(jī)器人通過線段最短距離檢測(cè)將周圍檢測(cè)到的各障礙物距離矢量通過勢(shì)場(chǎng)函數(shù)轉(zhuǎn)化 為與距離相關(guān)的斥力九，其方向與距離矢量平行；而目標(biāo)點(diǎn)與機(jī)器人的距離及角度信息則 轉(zhuǎn)化為吸引力1?，這個(gè)力為一定值；將兩種勢(shì)場(chǎng)力均平移至機(jī)器人形心得到一個(gè)矢量和為 Λ;機(jī)器人在該力的作用下能夠合理的避開障礙物趨向目標(biāo)，需明確下一時(shí)刻機(jī)器人的 運(yùn)動(dòng)狀況，由于機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中不僅作平移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也在不斷做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；可通過機(jī) 器人每一時(shí)刻所受的合力來控制其平動(dòng)加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)加速度以達(dá)到運(yùn)動(dòng)規(guī)劃目的；具 體分析過程如下： 將機(jī)器人所受合力在局部坐標(biāo)系下進(jìn)行分解： F令= &沿機(jī)器人本體坐標(biāo)y軸方向，控制機(jī)器人每一時(shí)刻速度的變化;/^沿機(jī)器人局部本體 坐標(biāo)X軸方向，控制機(jī)器人每一時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程；
其中= 辱，為機(jī)器人的直線加速度，at為機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)加速度； 在機(jī)器人本體坐標(biāo)y軸方向上，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的力與加速度的關(guān)系定律有如下公式，》為機(jī) 器人的虛擬質(zhì)量，為一定值，適當(dāng)?shù)馗淖兛梢詻Q定機(jī)器人速度變化的快慢；
根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角加速度的乘積等于作用于剛體上的外力對(duì)轉(zhuǎn)軸之力矩的代數(shù)和，可 以得到機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度值；具體公式如下：
/為機(jī)器人的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)半徑，兩者均為定值且隨形狀不同而 不同，可以適當(dāng)改變?nèi)タ刂茩C(jī)器人角速度變化快，由動(dòng)量公式得： J5*- Ai = πτν(? + Δ?) -mv{￡j 在一個(gè)很短的脈沖時(shí)間泣內(nèi)，可近似認(rèn)為：
綜合得：
其中V?、--分別為機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)時(shí)刻的平動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而!#+Af)、 為下一時(shí)刻移動(dòng)機(jī)器人所需的平動(dòng)速度控制輸入與轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制輸入值；這樣根 據(jù)機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境不斷地改變速度與旋轉(zhuǎn)角速度的值，最終使機(jī)器人能夠合理的避開障礙 物趨向目標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G01C21/20GK104317292SQ201410467990
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】費(fèi)浚純 申請(qǐng)人:哈爾濱恒譽(yù)名翔科技有限公司