一種基于柵格地圖的服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于機(jī)器人導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于柵格地圖的服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法，通過(guò)2D激光雷達(dá)實(shí)時(shí)地采集機(jī)器人所處的環(huán)境信息，進(jìn)行環(huán)境特征提取，對(duì)采集的信息利用SLAM技術(shù)進(jìn)行柵格地圖的創(chuàng)建，同時(shí)實(shí)時(shí)地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行自主定位，并且在此基礎(chǔ)上根據(jù)導(dǎo)航任務(wù)要求對(duì)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，然后根據(jù)規(guī)劃的路徑進(jìn)行跟蹤控制，使機(jī)器人完成導(dǎo)航任務(wù)。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)在于：針對(duì)導(dǎo)航中的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，使其更適合于服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航的實(shí)際需求，從而獲得最佳的可行方案；其次本發(fā)明實(shí)時(shí)地對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行處理，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)地圖，從而有效地實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，導(dǎo)航的精度和效率都大大提高。
【專利說(shuō)明】一種基于柵格地圖的服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人及導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于柵格地圖的服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自主移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它在軍事、民用、科學(xué)研究等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們研究的重點(diǎn)也從結(jié)構(gòu)式環(huán)境中的固定式機(jī)械臂、機(jī)械手轉(zhuǎn)向非結(jié)構(gòu)未知環(huán)境中的自主移動(dòng)機(jī)器人。傳統(tǒng)的機(jī)械臂空間環(huán)境建模以及示教運(yùn)動(dòng)的方法已無(wú)法滿足自主移動(dòng)機(jī)器人所面對(duì)的新任務(wù)。自主導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人研究的核心，是實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括自主定位、路徑規(guī)劃、跟蹤控制等。目前，針對(duì)自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航問(wèn)題已有很多的研究，但是現(xiàn)有的技術(shù)仍不夠完善。自主定位是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的最基本環(huán)節(jié)，移動(dòng)機(jī)器人要完成導(dǎo)航任務(wù)，就需要實(shí)時(shí)地知道自身相對(duì)于外界環(huán)境的位姿，常用的自主定位技術(shù)主要包括相對(duì)定位技術(shù)、絕對(duì)定位技術(shù)和組合定位技術(shù)。
[0003]相對(duì)定位也稱為航跡推算，主要包括測(cè)距法和慣性導(dǎo)航法，其優(yōu)點(diǎn)是不依賴于外部環(huán)境信息，可以提供完全的自主性和完備的導(dǎo)航信息，但是里程計(jì)、陀螺儀等傳感器的誤差會(huì)引來(lái)累積誤差。絕對(duì)定位是利用外部參照系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人的絕對(duì)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，主要包括網(wǎng)絡(luò)定位、路標(biāo)定位、地圖匹配定位，其優(yōu)點(diǎn)是定位精度較高，不存在累計(jì)誤差，但是技術(shù)復(fù)雜，且成本較高。組合定位是將相對(duì)定位和絕對(duì)技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行定位，通常的做法是利用相對(duì)定位進(jìn)行位姿估計(jì)，利用絕對(duì)定位對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行校正。
[0004]路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人跟蹤控制的基礎(chǔ)，是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中最重要的任務(wù)之一。移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃主要可以分為模板匹配路徑規(guī)劃、基于環(huán)境模型的路徑規(guī)劃和基于行為的路徑規(guī)劃三種類型。模板匹配路徑規(guī)劃是將機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)與過(guò)去模板庫(kù)中的事例相比較，尋找出一個(gè)最優(yōu)匹配事例，修正該事例中的路徑，從而得到一條新的路徑。基于環(huán)境模型的路徑規(guī)劃是目前最為成熟的方法，根據(jù)掌握信息的完整程度可分為環(huán)境信息已知的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃。基于行為的方法是由BROOKS在他的包容式結(jié)構(gòu)中提出的，將其用于解決移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題是一種新的發(fā)展趨勢(shì)。
[0005]根據(jù)控制目標(biāo)的不同，移動(dòng)機(jī)器人的跟蹤控制問(wèn)題包括點(diǎn)鎮(zhèn)定問(wèn)題、軌跡跟蹤問(wèn)題、路徑跟蹤問(wèn)題。點(diǎn)鎮(zhèn)定問(wèn)題是指設(shè)計(jì)控制器，使移動(dòng)機(jī)器人從任意的初始狀態(tài)到達(dá)并穩(wěn)定在任意的終止?fàn)顟B(tài)，其目的是獲得一個(gè)反饋控制律，使移動(dòng)機(jī)器人閉環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)平衡點(diǎn)是漸進(jìn)穩(wěn)定的。軌跡跟蹤問(wèn)題是指通過(guò)反饋控制，使得機(jī)器人從任意初始位置出發(fā)，都能夠跟隨預(yù)先設(shè)定好的期望軌跡。路徑跟蹤問(wèn)題是指移動(dòng)機(jī)器人以給定的速度或加速度，跟隨預(yù)先設(shè)定好的期望路徑。
[0006]以上三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是在機(jī)器人自主導(dǎo)航過(guò)程中必須解決的問(wèn)題，但是由于服務(wù)機(jī)器人所處環(huán)境的復(fù)雜性，目前的一些技術(shù)已不能滿足要求，因此需要對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，或者研究新的導(dǎo)航技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于柵格地圖的服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法。
[0008]本發(fā)明基于柵格地圖的服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法，包括自主定位、路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤，其特征在于:通過(guò)2D激光雷達(dá)實(shí)時(shí)地采集機(jī)器人所處的環(huán)境信息，進(jìn)行環(huán)境特征提取，對(duì)采集的信息利用同時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行柵格地圖的創(chuàng)建，同時(shí)實(shí)時(shí)地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行自主定位，并在定位過(guò)程中對(duì)傳感器誤差實(shí)時(shí)地進(jìn)行校正，在此基礎(chǔ)上根據(jù)導(dǎo)航任務(wù)要求對(duì)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，然后根據(jù)規(guī)劃的路徑進(jìn)行跟蹤控制，使機(jī)器人完成導(dǎo)航任務(wù)，具體包括以下步驟:
[0009]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟:
[0010]步驟1:利用編碼器采集機(jī)器人各輪的轉(zhuǎn)速，利用2D激光雷達(dá)采集環(huán)境信息，從而得到服務(wù)機(jī)器人與周圍環(huán)境的相對(duì)距離；
[0011]步驟2:同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建
[0012]步驟2.1:自主定位
[0013]步驟2.1.1:根據(jù)編碼器反饋的各輪轉(zhuǎn)速和服務(wù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；
[0014]步驟2.1.2:根據(jù)機(jī)器人位姿預(yù)測(cè)過(guò)程是馬爾科夫過(guò)程，建立機(jī)器人位姿預(yù)測(cè)誤差模型；
[0015]步驟2.1.3:根據(jù)2D激光雷達(dá)采集的環(huán)境信息，采用隨機(jī)霍夫變換最小二乘算法提取局部環(huán)境直線特征和點(diǎn)特征，建立基于環(huán)境特征的觀測(cè)模型；
[0016]步驟2.1.4:根據(jù)2D激光雷達(dá)原始數(shù)據(jù)與觀測(cè)模型的關(guān)系，建立機(jī)器人觀測(cè)誤差模型；
[0017]步驟2.1.5:通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波的定位算法進(jìn)行自主定位。
[0018]步驟2.2:地圖創(chuàng)建
[0019]步驟2.2.1:將局部環(huán)境特征通過(guò)魯棒性的預(yù)測(cè)，從而生成全局環(huán)境特征；
[0020]步驟2.2.2:以服務(wù)機(jī)器人在二維平面內(nèi)所占的投影面積的最小值為柵格，并以此柵格為單位將全局環(huán)境特征柵格化，生成了服務(wù)機(jī)器人所處環(huán)境的柵格地圖；
[0021]所述的全局環(huán)境柵格是指:障礙物柵格標(biāo)記為1，空白柵格標(biāo)記為O ;
[0022]步驟3:路徑規(guī)劃
[0023]步驟3.1:根據(jù)導(dǎo)航任務(wù)要求，設(shè)置路徑規(guī)劃的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)；
[0024]步驟3.2:在柵格地圖中采用一維編碼方式表示可選擇的路徑，并建立有明確物理意義的適應(yīng)度函數(shù)，進(jìn)而采用遺傳算法進(jìn)行路徑規(guī)劃；
[0025]步驟3.3:采用極坐標(biāo)下多項(xiàng)式曲線法對(duì)生成的路徑進(jìn)行平滑處理，從而得到適合機(jī)器人跟蹤控制的平滑路徑；
[0026]步驟4:跟蹤控制
[0027]步驟4.1:根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能建立機(jī)器人在一定運(yùn)動(dòng)約束條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及位姿誤差狀態(tài)方程；[0028]步驟4.1:設(shè)計(jì)基于backstepping時(shí)變狀態(tài)反饋方法的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制器，并利用基于Lyapunov穩(wěn)定性理論,對(duì)軌跡跟蹤控制器的全局穩(wěn)定性進(jìn)行分析；
[0029]步驟4.2:根據(jù)規(guī)劃出的服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，以及機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用軌跡跟蹤控制器，控制機(jī)器人完成導(dǎo)航任務(wù)。
[0030]本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果:相對(duì)于現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:首先本發(fā)明針對(duì)導(dǎo)航中的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，使其更適合于服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航的實(shí)際需求，從而獲得最佳的可行方案；其次本發(fā)明實(shí)時(shí)地對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行處理，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)地圖，從而有效地實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，導(dǎo)航的精度和效率都大大提高。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1為服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法示意圖
[0032]圖2為圖1中步驟2.1的自主定位流程圖
[0033]圖3為圖1中步驟2.2的地圖更新流程圖
[0034]圖4為圖1中步驟3的遺傳算法路徑規(guī)劃流程圖
[0035]圖5為圖1中步驟3的路徑規(guī)劃示意圖
[0036]圖6為圖1中步驟3的路徑編碼方式示意圖
[0037]圖7為圖1中步驟4的跟蹤控制流程圖
[0038]圖8為圖1中步驟4的跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而不對(duì)其起任何限定作用。
[0040]圖1是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的基于柵格地圖的服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法的實(shí)施主要步驟的流程圖。參照?qǐng)D1，該方法的主要流程為:
[0041]步驟1:控制機(jī)器人在已知的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，根據(jù)2D激光雷達(dá)采集并經(jīng)特征提取的環(huán)境信息，進(jìn)行地圖創(chuàng)建，得到全局環(huán)境柵格地圖；
[0042]步驟2:執(zhí)行自主定位模塊，確定機(jī)器人在全局坐標(biāo)系中的位姿，并根據(jù)導(dǎo)航任務(wù)要求設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)；
[0043]步驟3:機(jī)器人在全局環(huán)境柵格地圖中，根據(jù)自身位姿和目標(biāo)點(diǎn)位置，執(zhí)行路徑規(guī)劃模塊，獲得從機(jī)器人到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，即一系列離散的路徑點(diǎn)序列，并發(fā)送給路徑跟蹤豐旲塊；
[0044]步驟4:在執(zhí)行路徑跟蹤模塊過(guò)程中，根據(jù)2D激光雷達(dá)采集的環(huán)境信息實(shí)時(shí)更新全局環(huán)境地圖。自主定位，并檢測(cè)路徑上是否存在障礙物，若存在障礙物則執(zhí)行步驟3，否則繼續(xù)執(zhí)行路徑跟蹤，直到到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。
[0045]圖2為圖1中步驟2.1的自主定位流程圖。參照?qǐng)D2，自主定位的主要流程為:
[0046]步驟2.1.1:首先將500線編碼器和2D激光雷達(dá)分別安裝于服務(wù)器周圍，然后設(shè)置500線編碼器以30毫秒為周期反饋各輪的轉(zhuǎn)速；再設(shè)置2D激光雷達(dá)以30毫秒為采樣周期采集環(huán)境信息，從而得到服務(wù)機(jī)器人與其周圍環(huán)境的相對(duì)距離；
[0047]步驟2.1.2:根據(jù)500線編碼器和服務(wù)機(jī)器人各輪結(jié)構(gòu)建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為:
[0048]
【權(quán)利要求】
1.一種基于柵格地圖的服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法，包括自主定位、路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤，其特征在于:通過(guò)2D激光雷達(dá)實(shí)時(shí)地采集機(jī)器人所處的環(huán)境信息，進(jìn)行環(huán)境特征提取，對(duì)采集的信息利用同時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行柵格地圖的創(chuàng)建，同時(shí)實(shí)時(shí)地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行自主定位，并在定位過(guò)程中對(duì)傳感器誤差實(shí)時(shí)地進(jìn)行校正，在此基礎(chǔ)上根據(jù)導(dǎo)航任務(wù)要求對(duì)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，然后根據(jù)規(guī)劃的路徑進(jìn)行跟蹤控制，使機(jī)器人完成導(dǎo)航任務(wù)，具體包括以下步驟: 步驟1:控制機(jī)器人在已知的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，根據(jù)2D激光雷達(dá)采集并經(jīng)特征提取的環(huán)境信息，進(jìn)行地圖創(chuàng)建，得到全局環(huán)境柵格地圖；所述的全局環(huán)境柵格是指障礙物柵格標(biāo)記為1，空白柵格標(biāo)記為O ; 步驟2:執(zhí)行自主定位模塊，確定機(jī)器人在全局坐標(biāo)系中的位姿，并根據(jù)導(dǎo)航任務(wù)要求設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)； 步驟3:機(jī)器人在全局環(huán)境柵格地圖中，根據(jù)自身位姿和目標(biāo)點(diǎn)位置，執(zhí)行路徑規(guī)劃模塊，獲得從機(jī)器人到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，即一系列離散的路徑點(diǎn)序列，并發(fā)送給路徑跟蹤模塊； 步驟4:在執(zhí)行路徑跟蹤模塊過(guò)程中，根據(jù)2D激光雷達(dá)采集的環(huán)境信息實(shí)時(shí)更新全局環(huán)境地圖；自主定位，并檢測(cè)路徑上是否存在障礙物，若存在障礙物則執(zhí)行步驟3，否則繼續(xù)執(zhí)行路徑跟蹤，直到到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于柵格地圖的服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟2的具體步驟如下: 步驟2.1:自主定位 步驟2.1.1:首先將500線編碼器和2D激光雷達(dá)分別安裝于服務(wù)器周圍，然后設(shè)置500線編碼器以30毫秒為周期反饋各輪的轉(zhuǎn)速；再設(shè)置2D激光雷達(dá)以30毫秒為采樣周期采集環(huán)境信息，從而得到服務(wù)機(jī)器人與其周圍環(huán)境的相對(duì)距離； 步驟2.1.2:根據(jù)500線編碼器和服務(wù)機(jī)器人各輪結(jié)構(gòu)建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為:


3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于柵格地圖的服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟3的具體步驟如下: 步驟3.1:路徑編碼形式為=
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于柵格地圖的服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟4的具體步驟如下: 步驟4.1:在考慮服務(wù)機(jī)器人所受的約束后，機(jī)器人位姿誤差系統(tǒng)狀態(tài)方程為:
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK103914068SQ201310009149
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月7日
【發(fā)明者】張國(guó)良, 田琦, 安雷, 敬斌, 王俊龍, 湯文俊, 陳勵(lì)華, 張璐 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第二炮兵工程大學(xué)