一種基于可達區域質心矢量的移動機器人避障方法
【專利摘要】一種基于可達區域質心矢量的移動機器人避障方法，涉及制導控制方法，具體涉及一種移動機器人避障方法。為了解決現有避障技術需要構建柵格地圖或極坐標障礙圖，過程繁瑣，避障算法計算量大，以及不當的柵格尺寸可能導致可行路徑被忽略的問題。本發明利用激光掃描雷達或激光測距相機對移動機器人行進方向成像，將激光掃描雷達或測距相機視場與點云合圍的三維空間或二維平面區域作為機器人可達區域，計算其質心位置矢量和合成質心矢量，將合成質心矢量映射到可行速度范圍當中，形成下一控制周期移動機器人期望速度矢量，實現移動機器人自主障礙規避。本發明適用于移動機器人移動避障。
【專利說明】-種基于可達區域質心矢量的移動機器人避障方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及制導控制方法，具體涉及一種移動機器人避障方法。
【背景技術】
[0002] 局部障礙規避是移動機器人的一項重要能力，也是實現全局最優路線跟蹤的基礎 之一，因此具有重要的研究意義。國內外學者對避障方法進行了深入研究，提出了多種具有 代表性的研究成果，主要包括：
[0003] 虛擬力場法（VFF):虛擬力場法基本思想是將機器人運動假設為機器人在虛擬力 場環境中的運動。將移動目標所在柵格設置為低勢能區，可以吸引機器人向其運動。將障 礙物所在位置設置為高勢能區，排斥機器人向其運動。將綜合作用在機器人上的吸引力和 排斥力的合力作為最終機器人運動的控制力。其優點為算法簡單，易于工程實現。缺點為 當局部障礙物較多時，建立虛擬力場計算量較大，并且存在著局部極小點的問題。
[0004] 力場柱狀圖法（VFH) 算法對獲取的實時環境數據進行兩輪的處理，建立局部 極坐標直方圖，并選擇活動窗口內直方圖的波谷位置，作為機器人避障和控制的輸入參數。 VFH算法優點為可以在狹窄空間穩定運行，并且可以平滑的轉彎。
[0005] Ranger算法：Ranger算法首先根據其運動學模型建立若干條軌跡，之后通過計算 每條軌跡優異值來獲得下一步的軌跡。Ranger算法的缺點是由于使用雙目相機得到的機器 人周圍環境地形圖受噪聲影響較大，導致使用Ranger算法得到軌跡精度較差。
[0006] Morphin算法：此算法將通過雙目相機得到的機器人環境地形圖柵格化，并分析 通過每個柵格時的優異值和確定值，之后建立若干條軌跡，通過加權求和得到每條軌跡的 可遍歷性，選擇可遍歷性最好軌跡為下一步執行軌跡。
[0007] GESTALT算法：此算法為Morphine算法改進，在分析柵格地圖的優異值和確定值 之后，建立若干條軌跡，并對每條軌跡進行可遍歷性分析和接近目標點分析，最終得到下一 步執行的最優軌跡。優點為可以得到兼顧機器人動力學和當前地形環境的軌跡，缺點為有 時當可遍歷性分析和接近目標點分析沖突時，不能得到最優的軌跡。
[0008] 接近圖表法（ND):此方法首先對當前機器人周圍環境根據不同角度劃分為若干 個區域，建立不同區域障礙接近度柱狀圖，通過分析柱狀圖可以得到每個角度區域上障礙 物距離，并識別出安全區域。之后應用得到數據可以將這些區域歸類到不同的場景，根據每 個場景的避障規則可以得到機器人的避障控制指令，完成避障任務。
【發明內容】
[0009] 本發明為了解決現有避障技術需要構建柵格地圖或極坐標障礙圖，過程繁瑣，避 障算法計算量大，以及不當的柵格尺寸可能導致可行路徑被忽略的問題，進而提出了一種 基于可達區域質心矢量的移動機器人避障方法。
[0010] 一種基于可達區域質心矢量的移動機器人避障方法，其步驟如下：
[0011] 步驟一：利用激光掃描雷達或激光測距相機對移動機器人行進方向成像，獲得移 動機器人前方三維或二維點云數據，作為障礙規避的測量信息；
[0012] 步驟二：根據激光掃描雷達或激光測距相機的成像基本原理，將激光掃描雷達或 測距相機視場與點云合圍的三維空間或二維平面區域作為機器人可達區域；
[0013] 步驟三：將步驟二中確定的可達區域視為勻質體，計算其質心位置矢量；
[0014] 步驟四：根據機器人移動目標點方向，以及步驟三得到的可達區域質心位置矢量， 計算合成質心矢量；
[0015] 步驟五：根據移動機器人最大安全移動速度、最小障礙距離、激光掃描雷達或激光 測距相機的最大測量距離，將合成質心矢量映射到可行速度范圍當中，形成下一控制周期 移動機器人期望速度矢量。
[0016] 步驟三中所述的質心位置矢量計算的具體操作步驟為：
[0017] 建立機器人本體坐標系，坐標系原點為機器人質心，y軸為機器人前進方向，X軸 與機器人后輪軸平行，并指向前進方向右側，z軸與X，y軸成右手系，設激光掃描雷達與機 器人本體系重合；
[0018] 若激光掃描雷達或激光測距相機激光波束寬為Θ，即beam width為Θ， 激光掃描雷達或激光測距相機的第i個激光波束測距結果為屯；將激光波束 覆蓋空間近似為圓錐體，則該圓錐體體積
【權利要求】
1. 一種基于可達區域質心矢量的移動機器人避障方法，其特征在于它包括如下步驟： 步驟一：利用激光掃描雷達或激光測距相機對移動機器人行進方向成像，獲得移動機 器人前方三維或二維點云數據，作為障礙規避的測量信息； 步驟二：根據激光掃描雷達或激光測距相機的成像基本原理，將激光掃描雷達或測距 相機視場與點云合圍的三維空間或二維平面區域作為機器人可達區域； 步驟三：將步驟二中確定的可達區域視為勻質體，計算其質心位置矢量； 步驟四：根據機器人移動目標點方向，以及步驟三得到的可達區域質心位置矢量，計算 合成質心矢量； 步驟五：根據移動機器人最大安全移動速度、最小障礙距離、激光掃描雷達或激光測距 相機的最大測量距離，將合成質心矢量映射到可行速度范圍當中，形成下一控制周期移動 機器人期望速度矢量。
2. 根據權利要求1所述的一種基于可達區域質心矢量的移動機器人避障方法，其特征 在于步驟三中所述的質心位置矢量計算，步驟如下： 建立機器人本體坐標系，坐標系原點為機器人質心，y軸為機器人前進方向，X軸與機 器人后輪軸平行，并指向前進方向右側，z軸與x，y軸成右手系，設激光掃描雷達與機器人 本體系重合； 若激光掃描雷達或激光測距相機激光波束寬為Q，即beamwidth為0， 激光掃描雷達或激光測距相機的第i個激光波束測距結果為Cli ;將激光波束 覆蓋空間近似為圓錐體，則該圓錐體體積
假設可達區域勻質體 密度為1，則該圓錐體質量Kii=Vi ;該圓錐體質心位置矢量為Pi =(Xi, Yi, Zi)，
其中a，0分別為該激光波束在掃描 雷達或測距相機視場中的偏航角和俯仰角； 可達區域質心位置為
，其 中n為本次測量激光波束數量。
3. 根據權利要求2所述的一種基于可達區域質心矢量的移動機器人避障方法，其特征 在于機器人在步驟三中建立的機器人本體坐標系中運動時，如果移動機器人在二維平面中 運動，將z軸方向數據置O，僅考慮x-y平面內的矢量。
4. 根據權利要求1、2或3所述的一種基于可達區域質心矢量的移動機器人避障方法， 其特征在于步驟四中所述的合成質心矢量的計算方法，具體步驟如下： 若機器人移動目標點方向單位矢量為Pt = (xT,yT,zT)，則合成質心矢量為Pt =pv+cI|pv|IpT，其中C為調整系數，I|pv|I為質心矢量的長度。
5. 根據權利要求4所述的一種基于可達區域質心矢量的移動機器人避障方法，其特征 在于步驟五中所述的合成質心矢量向可行速度范圍映射的計算方法，具體步驟如下： 當全部激光波束測距結果均為最大測距距離時，計算可達區域質心矢量Pnlax，當全部激 光波束測距結果均為可容忍的最小障礙距離時，計算可達區域質心矢量Pnlin，下一周期速度 矢量為
其中Vmax為機器人移動的最大安全移動速度。
【文檔編號】G05D1/02GK104267728SQ201410549112
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月16日 優先權日:2014年10月16日
【發明者】田陽, 宋新, 徐田來, 崔祜濤 申請人:哈爾濱工業大學