本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

服務(wù)機(jī)器人實現(xiàn)導(dǎo)航任務(wù)，需要在已知環(huán)境中規(guī)劃一條可行的移動軌跡。目前大多數(shù)的導(dǎo)航軌跡規(guī)劃方法大多根據(jù)給定的起始和目標(biāo)點，在一個已知的自由空間(Free Space)地圖中，采用A-Star算法、AD-Star算法、人工勢場、快速隨機(jī)搜索樹(RRT)等在線搜索方法獲得符合機(jī)器人動力學(xué)規(guī)則的移動軌跡。然而這類方法僅僅基于自由空間的導(dǎo)航地圖，很難嵌入環(huán)境的動態(tài)信息，或者一些規(guī)則性的信息，如某些區(qū)域的臨時禁行、可移除障礙物等，因此受環(huán)境的不確定性影響較大，往往只能得到局部最優(yōu)路徑，甚至有時陷入局部規(guī)劃陷阱，使機(jī)器人無法完成導(dǎo)航任務(wù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種基于虛擬路網(wǎng)的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航方法及系統(tǒng)，能夠考慮環(huán)境影響，實現(xiàn)全局導(dǎo)航規(guī)劃。

第一方面，本發(fā)明提供了一種基于虛擬路網(wǎng)的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航方法，所述方法包括：

創(chuàng)建機(jī)器人工作環(huán)境的自由空間地圖和虛擬路網(wǎng)模型；

根據(jù)機(jī)器人的在線任務(wù)，在所述虛擬路網(wǎng)模型中規(guī)劃虛擬道路序列；

根據(jù)所述虛擬道路序列，確定機(jī)器人在所述自由空間地圖中移動的參考軌跡；

引導(dǎo)機(jī)器人按照所述參考軌跡移動。

進(jìn)一步地，所述創(chuàng)建機(jī)器人工作環(huán)境的虛擬路網(wǎng)模型，具體包括：在所述自由空間地圖中，根據(jù)機(jī)器人的導(dǎo)航任務(wù)設(shè)計虛擬路網(wǎng)模型；將工作環(huán)境中的規(guī)則信息和動態(tài)信息添加到設(shè)計好的虛擬路網(wǎng)模型中。

進(jìn)一步地，所述規(guī)則信息包括交通管控規(guī)則；所述動態(tài)信息包括工作環(huán)境的動態(tài)變化。

進(jìn)一步地，所述在所述虛擬路網(wǎng)模型中規(guī)劃虛擬道路序列，具體包括：在所述虛擬路網(wǎng)模型中選擇起點和終點；計算從起點到終點的虛擬道路序列。

進(jìn)一步地，所述計算從起點到終點的虛擬道路序列，具體包括：根據(jù)虛擬道路連接情況，計算出從起點到終點最優(yōu)的虛擬道路序列。

進(jìn)一步地，所述根據(jù)虛擬道路連接情況，計算出從起點到終點最優(yōu)的虛擬道路序列，具體包括：根據(jù)虛擬道路連接情況，以換道次數(shù)最少為選擇依據(jù)，計算出最優(yōu)的虛擬道路序列。

進(jìn)一步地，所述根據(jù)所述虛擬道路序列，確定機(jī)器人在所述自由空間地圖中移動的參考軌跡，具體包括：計算所述虛擬道路序列中每條虛擬道路的中心線；將多條所述中心線連接起來，形成參考軌跡。

進(jìn)一步地，所述中心線的計算公式為：

其中，p_i為所述虛擬道路序列中幾何基準(zhǔn)線上的第i個點，v_i為垂直于向量p_ip_i+1的單位向量，為第j條虛擬道路在處的寬度，i≧0，j≧1。

第二方面，本發(fā)明還提供了基于虛擬路網(wǎng)的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：模型建立模塊，道路規(guī)劃模塊，軌跡計算模塊，引導(dǎo)模塊；所述模型建立模塊，用于創(chuàng)建機(jī)器人工作環(huán)境的自由空間地圖和虛擬路網(wǎng)模型；

所述道路規(guī)劃模塊，用于根據(jù)機(jī)器人的在線任務(wù)，在所述虛擬路網(wǎng)模型中規(guī)劃虛擬道路序列；所述軌跡計算模塊，用于根據(jù)所述虛擬道路序列，確定機(jī)器人在所述自由空間地圖中移動的參考軌跡；所述引導(dǎo)模塊，用于引導(dǎo)機(jī)器人按照所述參考軌跡移動。

進(jìn)一步地，所述模型建立模塊，具體用于：在所述自由空間地圖中，根據(jù)機(jī)器人的導(dǎo)航任務(wù)設(shè)計虛擬路網(wǎng)模型；將工作環(huán)境中的規(guī)則信息和動態(tài)信息添加到設(shè)計好的虛擬路網(wǎng)模型中。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供一種基于虛擬路網(wǎng)的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航方法及系統(tǒng)，通過在自由空間地圖中建立虛擬路網(wǎng)模型，在上述虛擬路網(wǎng)模型中可添加規(guī)則信息和動態(tài)信息，實現(xiàn)對環(huán)境因素的綜合考慮，從而能更準(zhǔn)確地計算出最優(yōu)的虛擬道路序列，實現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人的全局導(dǎo)航規(guī)劃。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的基于虛擬路網(wǎng)的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明提供的基于虛擬路網(wǎng)的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航方法中中心線的計算示意圖。

圖3為本發(fā)明提供的基于虛擬路網(wǎng)的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，因此只是作為示例，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實施例一

圖1示出了本發(fā)明實施例一提供的基于虛擬路網(wǎng)的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航方法的流程示意圖。如圖1所示，一種基于虛擬路網(wǎng)的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航方法，包括：

步驟S1，創(chuàng)建機(jī)器人工作環(huán)境的自由空間地圖和虛擬路網(wǎng)模型。

優(yōu)選地，創(chuàng)建機(jī)器人工作環(huán)境的虛擬路網(wǎng)模型，具體包括：首先，在所述自由空間地圖中，根據(jù)機(jī)器人的導(dǎo)航任務(wù)設(shè)計虛擬路網(wǎng)模型；其次，將工作環(huán)境中的規(guī)則信息和動態(tài)信息添加到設(shè)計好的虛擬路網(wǎng)模型中。

其中，虛擬路網(wǎng)模型是根據(jù)機(jī)器人的主要任務(wù)，人為地離線生成的，該虛擬路網(wǎng)模型中包含道路網(wǎng)絡(luò)中涉及的多種信息，如虛擬車道、虛擬交叉路口、虛擬站點信息等。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述規(guī)則信息包括交通管控規(guī)則，如道路劃分規(guī)則、限行規(guī)則、速度規(guī)則、紅綠燈的設(shè)置等；所述動態(tài)信息包括工作環(huán)境的動態(tài)變化，如某一路段的臨時限行、可移除障礙物等，除此以外，還可以根據(jù)實際情況添加其它額外道路屬性。對于多機(jī)器人協(xié)作時，可利用現(xiàn)有的交通管控規(guī)則實現(xiàn)多機(jī)器人的最優(yōu)協(xié)同作業(yè)。

將環(huán)境中的規(guī)則信息和動態(tài)信息加入模型，可以在導(dǎo)航過程中更好地考慮環(huán)境因素，使虛擬路網(wǎng)模型與環(huán)境更匹配。

步驟S2，根據(jù)機(jī)器人的在線任務(wù)，在所述虛擬路網(wǎng)模型中規(guī)劃虛擬道路序列。

優(yōu)選地，在所述虛擬路網(wǎng)模型中規(guī)劃虛擬道路序列，具體包括：在所述虛擬路網(wǎng)模型中選擇起點和終點；計算從起點到終點的虛擬道路序列。

進(jìn)一步優(yōu)選地，計算從起點到終點的虛擬道路序列，具體包括：根據(jù)虛擬道路連接情況，計算出從起點到終點最優(yōu)的虛擬道路序列。具體地，根據(jù)從起點到終點的虛擬道路連接情況，以換道次數(shù)最少為選擇依據(jù)，在虛擬路網(wǎng)模型的道路樹中計算和選擇從起點到終點最優(yōu)的虛擬道路序列。

在虛擬路網(wǎng)模型中，從起點到終點可選的路線可能不只一條，虛擬道路序列的選擇相應(yīng)地也可能有多種，但此處的虛擬道路序列指的是多種選擇中最優(yōu)的一種，即最佳路線。其選擇的依據(jù)是換道次數(shù)最少，減少了機(jī)器人轉(zhuǎn)換方向的次數(shù)。

虛擬路網(wǎng)模型是人為實現(xiàn)設(shè)計的，因而具有全局最優(yōu)性，且具備較高的確定性。

步驟S3，根據(jù)所述虛擬道路序列，確定機(jī)器人在所述自由空間地圖中移動的參考軌跡。

在步驟S3中，虛擬路網(wǎng)模型中的連續(xù)道路中心線即為參考軌跡，確定參考軌跡的過程具體包括：首先，計算所述虛擬道路序列中每條虛擬道路的中心線；其次，將多條所述中心線連接起來，形成參考軌跡。

其中，所述中心線的計算公式為：其中，p_i為所述虛擬道路序列中幾何基準(zhǔn)線上的第i個基準(zhǔn)點，v_i為垂直于向量p_ip_i+1的單位向量，為第j條虛擬道路在處的寬度，0≦i≦m，1≦j≦n，i、j、m、n均為自然數(shù)，其中m和n的具體值可根據(jù)實際情況設(shè)定，m表示幾何基準(zhǔn)線上的第m+1個基準(zhǔn)點，n代表虛擬道路序列中的第n條道路。

所述中心線是通過計算多個中心點得到的，如圖2所示，虛擬道路序列中的每條道路都有一個幾何基準(zhǔn)線，在圖2中用p₀至p_m所在的橫線來表示該幾何基準(zhǔn)線，p₀至p_m表示該幾何基準(zhǔn)線上的多個基準(zhǔn)點，該基準(zhǔn)點是用于測量道路寬度的參考點。在圖2中，第1條道路在p₀處的寬度為通過上述計算公式能夠得到第1個中心點，在p₁處的寬度為通過上述計算公式能夠得到第2個中心點，依此類推，能夠得到第1條道路的第0至第m共m+1個中心點，將該m+1個中心點連接起來，能夠得到第1條道路的中心線；依照同樣的方法，也能夠得到第2條道路至第n條道路的中心線；將第1條道路至第n條道路的中心線用平滑的曲線連接起來，便能得到虛擬道路序列中的參考軌跡。

需要注意的是，在圖2的示意圖中，用筆直的實線和虛線來表示道路和道路中心線，所顯示不同基準(zhǔn)點的道路寬度也是一樣的，這點在本實施例中僅作為示意，方便理解，而非對本方案進(jìn)行限制。實際的道路和中心線不一定是筆直的，其不同基準(zhǔn)點的道路寬度也不一定是相同的。

通常機(jī)器人導(dǎo)航軌跡規(guī)劃方法多采用A-star算法、AD-star算法、快速隨機(jī)搜索樹(RRT)等搜索方法，其中A-star算法是一種靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路徑的直接搜索方法，AD-star算法是其擴(kuò)展方法。當(dāng)環(huán)境中存在大量動態(tài)物體，或需要多機(jī)器人協(xié)作時，由于大量的搜索和計算，往往會造成機(jī)器人無法在有限時間內(nèi)完成規(guī)劃計算。而通過本實施例所述的基于虛擬路網(wǎng)的規(guī)劃方法，節(jié)省了較多的計算量，大大地節(jié)省了時間，使機(jī)器人能夠在有限時間內(nèi)快速完成規(guī)劃。

步驟S4，引導(dǎo)機(jī)器人按照所述參考軌跡移動。

導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)步驟S3中得到的參考軌跡，引導(dǎo)機(jī)器人按照該參考軌跡移動。在移動過程中，當(dāng)遇到障礙物擋在參考軌跡上時，采用傳統(tǒng)搜索的局部規(guī)則方法，計算能夠繞開障礙物的局部軌跡，再引導(dǎo)機(jī)器人沿該局部軌跡移動，繞過障礙物后再回到上述參考軌跡上來。

基于以上內(nèi)容，本發(fā)明實施例一可以實現(xiàn)的技術(shù)效果為：基于工作環(huán)境建立虛擬路網(wǎng)模型，并添加規(guī)則信息和動態(tài)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境因素的綜合考慮，從而能更準(zhǔn)確地計算出最優(yōu)的虛擬道路序列，實現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人的全局導(dǎo)航規(guī)劃。

實施例二

對本發(fā)明實施例一對應(yīng)地，圖3示出了本發(fā)明實施例提供的一種基于虛擬路網(wǎng)的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，一種基于虛擬路網(wǎng)的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：模型建立模塊101，道路規(guī)劃模塊102，軌跡計算模塊103，引導(dǎo)模塊104。

所述模型建立模塊101，用于創(chuàng)建機(jī)器人工作環(huán)境的自由空間地圖和虛擬路網(wǎng)模型；其具體用于：在所述自由空間地圖中，根據(jù)機(jī)器人的導(dǎo)航任務(wù)設(shè)計虛擬路網(wǎng)模型；將工作環(huán)境中的規(guī)則信息和動態(tài)信息添加到設(shè)計好的虛擬路網(wǎng)模型中。

所述道路規(guī)劃模塊102用于根據(jù)機(jī)器人的在線任務(wù)，在所述虛擬路網(wǎng)模型中規(guī)劃虛擬道路序列；軌跡計算模塊103，用于根據(jù)所述虛擬道路序列，確定機(jī)器人在所述自由空間地圖中移動的參考軌跡；引導(dǎo)模塊104，用于引導(dǎo)機(jī)器人按照所述參考軌跡移動。

基于以上內(nèi)容，本發(fā)明實施例二可以達(dá)到的技術(shù)效果是：利用所述系統(tǒng)基于工作環(huán)境建立虛擬路網(wǎng)模型，并添加規(guī)則信息和動態(tài)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境因素的綜合考慮，從而能更準(zhǔn)確地計算出最優(yōu)的虛擬道路序列，實現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人的全局導(dǎo)航規(guī)劃。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。