運動避障裝置及控制方法與流程

本發明涉及機器人運動控制領域，尤其涉及一種使用麥克納姆輪式底盤的運動避障裝置及控制方法。
背景技術：
：在機器人學和人工智能的迅速發展的今天，智能機器人的研究得到了更多更廣泛的重視，其中，怎樣增強機器人的自主避障性能成為這些年來研究的主要課題之一。傳統的機器人一般采用輪式底盤，采用的避障方法主要包括在遇到移動障礙物時停止等待，然后控制底盤輪子轉向，移動繞過障礙物等。這種避障方法雖然避免了機器人與移動障礙物的碰撞，但也使得機器人只要遇到移動障礙物就得走走停停，乃至于寸步難行，極大地影響了機器人的整體移動速度。因此，如何使機器人的移動變得更加高效，避障效果更好，成了一個亟待解決的問題。技術實現要素：本發明要解決的技術問題如何使機器人的移動變得更加高效，避障效果更好。為解決上述技術問題，本發明提供以下技術方案一方面，本發明提供一種運動避障裝置，能夠在移動遭遇移動障礙物時，自動改變移動路徑，繞開所述障礙物，并在繞開所述障礙物后自動還原所述移動路徑，避免所述移動障礙物影響其移動。在一些實施例中，所述的運動避障裝置，包括電氣連接的麥克納姆輪式底盤、麥克納姆輪、驅動單元、激光感應器、控制板卡、急停開關及電機，所述控制板卡包括一處理單元，該處理單元包括：采集模塊，用于在運動避障裝置移動時，利用所述激光感應器采集所述運動避障裝置周圍的環境信息；匹配模塊，用于將所述環境信息與預存的環境地圖相匹配，確定所述環境中的障礙物；確定模塊，用于確定所述障礙物的位置、移動速度及方向；判斷模塊，用于根據所述障礙物與所述運動避障裝置位置、移 動速度及方向計算所述障礙物是否會與所述運動避障裝置碰撞；規劃模塊，用于在所述障礙物會與所述運動避障裝置碰撞時，根據該障礙物與所述運動避障裝置位置、移動速度及方向規劃避障路徑；及移動模塊，用于控制所述運動避障裝置從原行進路線進入所述避障路徑，以使所述運動避障裝置不與所述障礙物碰撞。另一方面，本發明提供一種運動避障裝置控制方法，能夠在所述運動避障裝置的移動遭遇障礙物時，自動控制該運動避障裝置改變移動路徑，以繞開所述障礙物，并在繞開所述障礙物后自動還原所述移動路徑，避免所述障礙物影響所述運動避障裝置的移動。在一些實施例中，所述的運動避障裝置控制方法，包括：采集步驟，在運動避障裝置移動時，采集所述運動避障裝置周圍的環境信息；匹配步驟，將所述環境信息與預存的環境地圖相匹配，確定所述環境中的障礙物；確定步驟，確定所述障礙物的位置、移動速度及方向；判斷步驟，根據所述障礙物與所述運動避障裝置位置、移動速度及方向計算所述障礙物是否會與所述運動避障裝置碰撞；規劃步驟，如果所述障礙物會與所述運動避障裝置碰撞，根據所述障礙物與所述運動避障裝置位置、移動速度及方向規劃避障路徑；及移動步驟，控制所述運動避障裝置從原行進路線進入所述避障路徑，以使所述運動避障裝置不與所述障礙物碰撞。本發明的有益效果在于本發明利用激光掃描技術不斷采集運動避障裝置周圍的環境信息，確定該環境中的障礙物的運動狀態，用以判斷該障礙物是否會與所述運動避障裝置碰撞。并在該障礙物可能與所述運動避障裝置相撞時，規劃出避障路徑以使所述運動避障裝置不被碰撞，保證所述運動避障裝置的安全。【附圖說明】圖1是本發明運動避障裝置較佳實施例的硬件架構示意圖。圖2是本發明運動避障裝置控制系統較佳實施例的功能模塊圖。圖3是本發明運動避障裝置控制方法較佳實施例的實施流程圖。圖4A-4B是本發明運動避障裝置與障礙物的示意圖。圖5是本發明障礙物經過運動避障裝置的行進路線的示意圖。圖6是本發明運動避障裝置的避障路徑示意圖。附圖標記：運動避障裝置10麥克納姆輪式底盤1麥克納姆輪2驅動單元3激光感應器4控制板卡5急停開關6電機7運動避障裝置控制系統20計算模塊21采集模塊22匹配模塊23確定模塊24判斷模塊25規劃模塊26移動模塊27【具體實施方式】為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。實施例1參閱圖1所示，是本發明所述的運動避障裝置10的硬件架構示意圖。在本實施例中，所述的運動避障裝置10包括，但不僅限于，麥克納姆輪式 底盤1、麥克納姆輪2、驅動單元3、激光感應器4、控制板卡5、急停開關6及電機7。所述運動避障裝置10的部件1-7相互電氣連接。所述麥克納姆輪2是一種可全方位位移的輪，用以實現所述運動避障裝置10的直行、橫移、轉向等全方位的位移。所述驅動單元3用于接收所述控制板卡5的控制指令，控制所述運動避障裝置10上配備的馬達、電機7等動力元件執行特定的動作，例如減速、加速或轉向等。所述激光感應器4用于利用激光掃描技術實時采集所述運動避障裝置10周圍的環境信息，并反饋至所述控制板卡5。所述控制板卡5至少包括一存儲單元51及一處理單元52，所述存儲單元51用于存儲預先編制的程序代碼(例如本發明所述的運動避障裝置控制系統20)及環境地圖等。所述處理單元52用于執行所述預先編制的程序代碼，實現所述運動避障裝置10的功能。例如對所述激光感應器4采集的環境信息進行分析處理，判斷所述環境中是否存在與所述環境地圖不一致的地方(即障礙物)等。所述急停開關6用于當障礙物與所述運動避障裝置10之間的距離小于預設的安全距離時，對所述運動避障裝置10實施緊急制動，防止該運動避障裝置10與所述障礙物碰撞。所述電機7用于通過調節所述運動避障裝置10移動速度或移動方向，改變所述運動避障裝置10的行進路線，以避開所述障礙物。參閱圖2所示，是本發明所述的運動避障裝置控制系統20較佳實施例的功能模塊示意圖。在本實施例中，所述運動避障裝置控制系統20可以被分割成一個或多個模塊，所述一個或多個模塊被存儲在所述控制板卡5的存儲單元51中，并被配置成由一個或多個處理器(本實施例為所述控制板卡5的處理單元52)執行，以完成本發明。例如，在圖2中，所述運動避障裝置控制系統20被分割成計算模塊21、采集模塊22、匹配模塊23、確定模塊24、判斷模塊25、規劃模塊26及移動模塊27。本發明所稱的模塊是能夠完成一特定功能的程序段，比程序更適合于描述軟件在所述運動避障裝置10中的執行過程。以下將結合圖3的流程圖來詳細描述模塊21-27的具體功能。參閱圖3所示，是本發明所述的運動避障裝置控制方法較佳實施例的流程圖。根據不同的需求，圖3所示的流程圖中的步驟的執行順序可以改變，某些步驟可以省略。步驟S31，在運動避障裝置10移動時，計算模塊21根據所述運動避障裝置10的移動速度及電機7的參數，計算該運動避障裝置10的最小制動距離。在本實施例中，所述最小制動距離是指所述運動避障裝置10在緊急制動的情況下從開始制動到完全靜止期間移動的距離。該最小制動距離可以通過以下公式計算得出：(1)F＝T*R*η；(2)a＝F/m；(3)S＝V2/2a；其中，公式(1)的F為所述電機7的制動力，T為該電機7的扭矩，R為該電機7的輪徑，η為該電機7的轉化效率。公式(2)中的a為所述電機7的制動加速度，m為所述運動避障裝置10的質量或者所述麥克納姆輪式底盤1的質量(兩者近似)。公式(3)中的S為所述最小制動距離，V為所述運動避障裝置10的移動速度。在本實施例中，所述最小制動距離可以用來衡量所述運動避障裝置10是否會與其行進路線上的靜止的障礙物相撞。具體地，若所述運動避障裝置10與其行進路線上靜止的障礙物之間的距離不小于所述最小制動距離，則只要緊急制動及時，該運動避障裝置10就可以避免與所述障礙物相撞。反之，若所述運動避障裝置10與其行進路線上靜止的障礙物之間的距離小于所述最小制動距離，則不管緊急制動是否及時，該運動避障裝置10均會與所述障礙物相撞。因此，為保證所述運動避障裝置10不碰撞，可以設定1.5倍所述最小制動距離值為該運動避障裝置10的安全距離。用以在發現所述運動避障裝置10的行進路線上1.5倍所述最小制動距離處存在靜止的障礙物時，對所述運動避障裝置10進行緊急制動，以避免碰撞。當然，所述安全距離并不僅限于上述的設定值，在本發明的其他實施例中，所述安全距離還可以是其他任意適宜的設定值。步驟S32，采集模塊22控制所述運動避障裝置10的激光感應器4以預設的頻率采集所述運動避障裝置10周圍的環境信息。所述預設的頻率可以是每25ms采集一次或者其他任意適宜的頻率。所述激光感應器4還可以是紅外線感應器等。一般地，所述激光感應器4在正常工作時，會向所述環境的多個方向同時發射的激光信號，當某個方向存在障礙物時，該方向的激光信號會從該障礙物的表面反射回來，并被所述激光感應器4接收，得到該障礙物表面大量的密集的點的坐標、反射率和紋理等信息，進而形成二維或者三維的地形環境數字模型。所述激光感應器4根據所述二維或者三維的地形環境數字模型可以得到該方向的環境信息。例如，該方向存在的障礙物的形狀大小、該障礙物與所述運動避障裝置10之間的距離等。步驟S33，匹配模塊23將所述激光感應器4采集的環境信息與預先存儲在存儲單元51中的環境地圖進行匹配，用以確定所述運動避障裝置10的周圍是否存在障礙物。如果所述運動避障裝置10的周圍存在障礙物，進入步驟S34；否則，返回步驟S32。需要說明的是，在本實施例中，當所述環境信息與所述環境地圖存在不一致的地方時，所述匹配模塊23判定該不一致的地方存在障礙物。所述障礙物的數量可以是一個，也可以是多個。步驟S34，確定模塊24根據所述環境信息確定所述障礙物的位置、移動速度及移動方向。如圖4A-4B所示，假設所述運動避障裝置10以4m/s的速度自南向北移動。在某一時刻，該運動避障裝置10的激光感應器4偵測到西北方向5米處存在一障礙物B(如圖4A)，1秒后，所述激光感應器4再次偵測到該障礙物B，且該障礙物B位于所述運動避障裝置10的正西方向2米處(如圖4B)。則，通過簡單的數學計算后，所述確定模塊24可以確定所述障礙物B的移動速度為1m/s，方向為自西向東。需要說明的是，在本實施例中，所述確定模塊24對所述障礙物的移動速度及移動方向的確定并不僅進行一次。所述確定模塊24會每一次在所述激光感應器4更新采集的環境信息時，根據新的環境信息重新對所述障礙物的移動速度及移動方向進行確定，以防止所述障礙物在移動時運動狀態突然發生改變。步驟S35，判斷模塊25根據所述障礙物的位置、移動速度及移動方向判斷該障礙物是否會與所述運動避障裝置10碰撞。當所述障礙物會與所述運動避障裝置10碰撞時，進入步驟S36；否則，返回步驟S32。具體判斷方法如下：首先，所述判斷模塊25根據所述障礙物的移動速度和移動方向，判斷該障礙物是否經過所述運動避障裝置10的行進路線。例如，在圖4A中，如果障礙物B的移動速度為1m/s，移動方向為自西向東，則很明顯地，該障礙物B會在3秒后經過所述運動避障裝置10的行進路線。其次，所述判斷模塊25根據所述運動避障裝置10的移動速度，計算所述障礙物經過所述行進路線時，該運動避障裝置10在所述行進路線上的位置。如圖5所示，當所述障礙物B以1m/s的速度在3秒后自西向東經過所述行進路線時，所述運動避障裝置10將移動至所述行進路線上距離其第一位置(虛線位置)12米的地方(實線位置)。最后，所述判斷模塊25根據所述障礙物經過所述行進路線時，所述運動避障裝置10與所述障礙物之間的位置關系，判斷所述運動避障裝置10是否會與該障礙物發送碰撞。例如，在圖5中，當障礙物B經過所述運動避障裝置10的行進路線時，該運動避障裝置10早已離開所述障礙物所經過的位置，因此，很明顯地，所述運動避障裝置10不會與所述障礙物B碰撞。需要說明的是，當所述障礙物的移動速度或移動方向發生改變時，所述判斷模塊25會重新對該障礙物的上述移動狀態進行判斷。此外，雖然上述判斷過程僅描述了所述環境中存在一個障礙物時的場景，但是，該判斷過程也同樣適用于所述環境中存在多個障礙物時的場景，具體步驟與上述描述類似，此處不再贅述。步驟S36，規劃模塊26根據所述障礙物經過所述行進路線時，所述運動避障裝置10與所述障礙物之間的位置關系，規劃出一條或多條避障路徑，以使所述運動避障裝置10不會與所述障礙物發送碰撞。假設在圖5中，所述障礙物B的移動方向不變，移動速度不是1m/s而是3m/s，則明顯地，該障礙物B會在1秒后，圖6中該障礙物B所處的位置與所述運動避障裝置10碰撞。為避免所述碰撞，如圖6所示，所述規劃模塊26需要規劃出不同于原定行進路線的避障路徑(例如圖6所示的L1或者L2)，以使所述運動避障裝置10能夠繞過所述障礙物B移動。顯而易見地，所述避障路徑可以不止一條，該避障路徑可以是從所述原有行進路線的左方繞過所述障礙物B，也可以是從所述原有行進路線的右方繞過所述障礙物B等。例如，所述規劃模塊26可以規劃出一條形如L1的梯形避障路徑，該梯形避障路徑的第一部分與所述運動避障裝置10原行進路線成45° 角，第二部分與所述原行進路線平行，第三部分與所述原行進路線成135°角，最后回歸所述運動避障裝置10的原行進路線。需要注意的是，在本實施例中，所述避障路徑不僅包括所述運動避障裝置10在原行進路線上移動時遭遇障礙物后規劃的避障路徑，還包括該運動避障裝置10在所述避障路徑上移動時遭遇障礙物后規劃的避障路徑。也就是說，所述規劃模塊26規劃所述運動避障裝置10的避障路徑的動作是持續性的，只要所述運動避障裝置10遭遇可能與之碰撞的障礙物，則不管所述運動避障裝置10是在原行進路線上移動還是在所述避障路徑上移動，所述規劃模塊26均會對所述運動避障裝置10進行規劃所述避障路徑的動作，以保障該運動避障裝置10不會被撞。此外，若所述環境過于復雜或障礙物過多，導致所述規劃模塊26無法及時規劃出所述避障路徑時，所述規劃模塊26會在所述運動避障裝置10與所述障礙物之間的距離大于所述安全距離時，控制所述電機7使該運動避障裝置10減速。并在所述運動避障裝置10與所述障礙物之間的距離縮小到所述安全距離時，控制所述運動避障裝置10發出障礙警報聲，并利用所述急停開關6緊急制動該運動避障裝置10，直到所述避障路徑被規劃出來。步驟S37，移動模塊27控制所述電機7改變所述運動避障裝置10的移動速度和移動方向，使所述運動避障裝置10沿著所述避障路徑中的一條路徑移動，以繞開所述障礙物。需要說明的是，在本實施例中，所述移動模塊27是通過控制所述電機7在與所述原行進路線垂直的方向上增加速度分量來改變所述運動避障裝置10的移動速度和方向的。這樣的方式，可以保證所述運動避障裝置10在原行進路線上的速度分量在避障的過程中不會發生變化，所述運動避障裝置10的在原行進路線上的移動不受到影響。例如，在圖6中，所述移動模塊27可以控制所述電機7在與原行進路線垂直的方向上給所述運動避障裝置10增加一個速度分量，該速度分量與所述運動避障裝置10在原行進路線的速度大小相同。這樣，可以使所述運動避障裝置10沿著與原行進路線成45°角的避障路線L1移動。當所述運動避障裝置10的橫向位移X足夠避開所述障礙物B(例如大于所述障礙物B的橫向寬度的一半)時，所述移動模塊27控制所述電機7移除之前在所述運動避障裝置10上增加的速度 分量，以使所述運動避障裝置10沿與所述原行進路線平行的路徑移動。此時，所述運動避障裝置10的移動速度即為該運動避障裝置10在原行進路線上的速度分量。當所述運動避障裝置10的縱向位移Y足夠繞過所述障礙物B(例如大于所述障礙物B的縱向厚度)時，所述移動模塊27控制所述電機7在所述運動避障裝置10上增加一個與已移除的速度分量大小相同但方向相反的速度分量，以使所述運動避障裝置10沿與原行進路線成135°角的路徑移動，逐漸回歸原行進路線。步驟S38，當所述運動避障裝置10繞過所述障礙物，成功回歸原行進路線時，所述移動模塊27控制所述電機7移除所述運動避障裝置10增加的速度分量，使所述運動避障裝置10按原行進路線移動。從上述步驟可知，本發明在運動避障裝置10移動時，利用激光掃描技術不斷采集所述運動避障裝置10周圍的環境信息，以確定該環境中的障礙物的運動狀態，進而根據該障礙物的運動狀態判斷該障礙物是否會與所述運動避障裝置10碰撞。并在該障礙物可能與所述運動避障裝置10相撞時，規劃一條避障路徑以避免所述碰撞，保證所述運動避障裝置10的安全。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。。當前第1頁1 2 3