【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及行人模式分析領(lǐng)域，具體涉及一種用于機(jī)器人路徑規(guī)劃的行人軌跡預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

隨著近年來機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人不再只存在于生產(chǎn)線上，社交型機(jī)器人逐漸進(jìn)入了人們的日常生活，它們通過在日常環(huán)境中與用戶進(jìn)行近距離交互，來提供一些社交類服務(wù)。在人機(jī)交互的環(huán)境中，最重要的一點(diǎn)就是行人的安全問題，如何科學(xué)地避障行人、避免阻塞行人成為服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)中的首要任務(wù)。在避障問題上，對(duì)于靜態(tài)障礙物的避障已經(jīng)較好地被解決，但是對(duì)有意識(shí)的行人避障不能簡(jiǎn)單地當(dāng)成靜態(tài)障礙物處理，如若處理不當(dāng)可能會(huì)阻礙行人未來軌跡，給行人來帶不好的體驗(yàn)。所以如何合理地避障移動(dòng)中的行人是目前服務(wù)機(jī)器人研究的一個(gè)重要目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提出了一種用于機(jī)器人路徑規(guī)劃的行人軌跡預(yù)測(cè)方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體如下：

一種用于機(jī)器人路徑規(guī)劃的行人軌跡預(yù)測(cè)方法，所述方法基于預(yù)測(cè)區(qū)域全局進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括如下步驟：

(1)將整個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)域按照一定的大小劃分成多個(gè)網(wǎng)格，記第x行第y列的網(wǎng)格為g(x，y)；

(2)針對(duì)任意一個(gè)網(wǎng)格g(x，y)，統(tǒng)計(jì)從不同方向vi進(jìn)入該網(wǎng)格的行人個(gè)數(shù)n(vi，x，y)，其中1≤i≤d，d是方向的數(shù)量；

(3)在預(yù)定義的一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)以某一個(gè)方向進(jìn)入某個(gè)網(wǎng)格的行人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)，通過對(duì)這些行人進(jìn)入該網(wǎng)格前的歷史軌跡、進(jìn)入該網(wǎng)格后的未來軌跡，以及該行人的目標(biāo)點(diǎn)位置這三個(gè)方面來統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的行人數(shù)據(jù)；

(4)根據(jù)上述步驟得到行人數(shù)據(jù)，對(duì)行人的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行聚類，設(shè)目標(biāo)點(diǎn)的聚類結(jié)果為k個(gè)簇s1，s2，……，sk；

(5)假設(shè)對(duì)于從方向vi進(jìn)入網(wǎng)格g(x，y)的行人中，歷史目標(biāo)點(diǎn)位于簇sj的行人個(gè)數(shù)為n(vi,x,y,k)，則這些行人中，最后到達(dá)sj的概率p(vi,x,y,j)為：

(6)基于上述概率，以及目標(biāo)行人的歷史軌跡，對(duì)目標(biāo)行人的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

進(jìn)一步地，還包括行人目標(biāo)點(diǎn)局部預(yù)測(cè)方法，所述局部預(yù)測(cè)方法包括：根據(jù)目標(biāo)行人的歷史軌跡，確定目標(biāo)行人由于其他影響者而發(fā)生軌跡變動(dòng)的時(shí)刻t，設(shè)該時(shí)刻t目標(biāo)行人f的坐標(biāo)位置為(xf，yf)，影響者e的坐標(biāo)位置(xe，ye)，以e為圓心做一個(gè)半徑為0.5米的個(gè)人空間圓p，過f做圓p的兩條切線m和n，相對(duì)于目標(biāo)行人f，兩條切線m、n、圓p與視野邊界所圍成的范圍構(gòu)成了圓p的后方，該后方即為目標(biāo)行人的估計(jì)目標(biāo)點(diǎn)范圍pda。

進(jìn)一步地，所述網(wǎng)格為邊長(zhǎng)為0.5米的正方形。

進(jìn)一步地，所述方向是事先劃分好的，將行人進(jìn)入網(wǎng)格的方向分成d個(gè)區(qū)間，同一個(gè)區(qū)間內(nèi)的都認(rèn)為是同一個(gè)方向vi。

進(jìn)一步地，d＝8。

進(jìn)一步地，步驟(4)中，采用改進(jìn)的自動(dòng)k-means聚類方法先對(duì)行人的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行聚類，具體包括：首先規(guī)定最終的優(yōu)化結(jié)果為每一簇各個(gè)點(diǎn)到這一簇中心點(diǎn)的平均距離davg(i)不超過最大平均中心距離dmax，其中i≤k；接著遍歷k，計(jì)算對(duì)于每一個(gè)k值每一簇的中心點(diǎn)平均距離davg(i,k)，直到某一個(gè)k值可以滿足對(duì)任意i∈[1,k]，davg(i,k)≤dmax，則認(rèn)為聚類完成。

進(jìn)一步地，根據(jù)目標(biāo)行人最近時(shí)刻是從哪個(gè)方向進(jìn)入到當(dāng)前網(wǎng)格，則根據(jù)步驟5計(jì)算的概率獲取該行人未來目標(biāo)點(diǎn)所在簇的概率分布，概率最高的目標(biāo)點(diǎn)簇和當(dāng)前位置的連線就是概率最高的未來軌跡。

本發(fā)明的有益效果為：可以有效地預(yù)測(cè)行人的未來行進(jìn)軌跡，從而為機(jī)器人自身的行進(jìn)提供指導(dǎo)，提高了機(jī)器人路徑規(guī)劃的效率。

【附圖說明】

此處所說明的附圖是用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中：

圖1是本發(fā)明行人目標(biāo)點(diǎn)局部預(yù)測(cè)結(jié)果圖。

【具體實(shí)施方式】

下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，其中的示意性實(shí)施例以及說明僅用來解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

為了更好的提前避開行人可能的軌跡，預(yù)測(cè)行人軌跡則成為了服務(wù)機(jī)器人軌跡規(guī)劃中的要點(diǎn)。行人的軌跡實(shí)際上受其意識(shí)驅(qū)動(dòng)——行人的目標(biāo)點(diǎn)以及環(huán)境特征最終決定了行人的軌跡。如果可以直接預(yù)測(cè)出行人可能的目標(biāo)點(diǎn)，再結(jié)合當(dāng)前軌跡情況去預(yù)測(cè)軌跡，則可以從意圖上來完成預(yù)測(cè)，提高預(yù)測(cè)質(zhì)量。

與機(jī)器人路徑規(guī)劃類似，對(duì)行人軌跡的預(yù)測(cè)可以分為全局預(yù)測(cè)與局部預(yù)測(cè)兩部分。全局預(yù)測(cè)就是基于環(huán)境特征(如環(huán)境邊界或固定障礙物)對(duì)行人的影響，來研究在某一環(huán)境中行人軌跡如何變化。局部預(yù)測(cè)則是排除了固定的環(huán)境特征全局影響之后，基于行人與移動(dòng)物(如行人、移動(dòng)機(jī)器人)之間互相影響來研究行人軌跡變化的原因，從而進(jìn)行局部軌跡預(yù)測(cè)。結(jié)合這兩種方法則可以比較合理地根據(jù)歷史軌跡來預(yù)測(cè)一個(gè)環(huán)境中的某一行人的未來軌跡，從而為機(jī)器人路徑規(guī)劃提供指導(dǎo)。

首先對(duì)本發(fā)明行人軌跡的全局預(yù)測(cè)方法進(jìn)行說明，

(1)將整個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)域按照一定的大小劃分成多個(gè)網(wǎng)格。網(wǎng)格的具體大小可以根據(jù)實(shí)際情況來確定，優(yōu)選的，將網(wǎng)格設(shè)置成邊長(zhǎng)0.5米的正方形。記第x行第y列的網(wǎng)格為g(x，y)。

(2)針對(duì)任意一個(gè)網(wǎng)格g(x，y)，統(tǒng)計(jì)從不同方向vi進(jìn)入該網(wǎng)格的行人個(gè)數(shù)n(vi，x，y)。其中1≤i≤d，d是方向的數(shù)量。

這里的方向是事先劃分好的，將行人進(jìn)入網(wǎng)格的方向均分成多個(gè)區(qū)間(下面以優(yōu)選的8個(gè)區(qū)間為例，即d＝8)，同一個(gè)區(qū)間內(nèi)的都認(rèn)為是同一個(gè)方向vi(1≤i≤8)。行人進(jìn)入網(wǎng)格的方向可以在某種程度上代表行人的行進(jìn)意圖。

(3)在預(yù)定義的一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)以某一個(gè)方向進(jìn)入某個(gè)網(wǎng)格的行人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)，通過對(duì)這些行人進(jìn)入該網(wǎng)格前的歷史軌跡、進(jìn)入該網(wǎng)格后的未來軌跡，以及該行人的目標(biāo)點(diǎn)位置這三個(gè)方面來統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的行人意圖。針對(duì)每個(gè)網(wǎng)格的每個(gè)方向都進(jìn)行上述的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)，可以獲得大量的行人數(shù)據(jù)。

(4)根據(jù)上述步驟得到行人數(shù)據(jù)，對(duì)行人的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行聚類。

得到進(jìn)入某一網(wǎng)格的某一速度方向下的行人數(shù)據(jù)后，最有價(jià)值的數(shù)據(jù)就是視野中行人的最終目標(biāo)點(diǎn)。但是此時(shí)我們得到的行人目標(biāo)點(diǎn)是無規(guī)律的，無法用網(wǎng)格來對(duì)其進(jìn)行描述，所以擬采用本發(fā)明改進(jìn)的自動(dòng)k-means聚類方法先對(duì)行人的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行聚類。

本發(fā)明使用限制簇內(nèi)平均中心距離最大值的方式來為目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行聚類。首先規(guī)定最終的優(yōu)化結(jié)果為每一簇各個(gè)點(diǎn)到這一簇中心點(diǎn)的平均距離davg(i)不超過最大平均中心距離dmax，其中i≤k，k是k-means簇個(gè)數(shù)；接著遍歷該k-means簇個(gè)數(shù)k，計(jì)算對(duì)于每一個(gè)k值每一簇的中心點(diǎn)平均距離davg(i,k)，直到某一個(gè)k值可以滿足對(duì)任意i∈[1,k]，davg(i,k)≤dmax，則認(rèn)為聚類完成。

(5)得到行人目標(biāo)點(diǎn)聚類結(jié)果后，目標(biāo)點(diǎn)由無規(guī)律點(diǎn)變?yōu)殡x散的k個(gè)簇s1，s2，……，sk，便于據(jù)此來計(jì)算行人軌跡目標(biāo)點(diǎn)的概率。假設(shè)對(duì)于從方向vi進(jìn)入網(wǎng)格g(x，y)的行人中，歷史目標(biāo)點(diǎn)位于簇sj(1≤j≤k)的行人個(gè)數(shù)為n(vi,x,y,k)，則這些行人中，最后到達(dá)sj的概率p(vi,x,y,j)為：

(6)基于上述概率，以及目標(biāo)行人的歷史軌跡，就可以對(duì)目標(biāo)行人的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而預(yù)測(cè)其可能的軌跡。

具體地，根據(jù)目標(biāo)行人最近時(shí)刻是從哪個(gè)方向進(jìn)入到當(dāng)前網(wǎng)格，則可以根據(jù)步驟5計(jì)算的概率獲取該行人未來目標(biāo)點(diǎn)所在簇的概率分布，概率最高的目標(biāo)點(diǎn)簇和當(dāng)前位置的連線就是概率最高的未來軌跡。

在行人剛開始出現(xiàn)時(shí)，行人軌跡只有一小部分，如果行人出現(xiàn)在歷史軌跡比較多的位置，對(duì)其軌跡最終走向較難判斷，所以這時(shí)的判斷可能會(huì)發(fā)生偏差。隨著時(shí)間的推移，軌跡的走向越來越明顯，可以利用的信息也越來越多，就可以比較合理地預(yù)測(cè)出軌跡的目標(biāo)點(diǎn)。

上述過程是本發(fā)明行人軌跡的全局預(yù)測(cè)過程。但是還可以根據(jù)目標(biāo)行人與移動(dòng)物之間的相互影響進(jìn)行局部預(yù)測(cè)。如果目標(biāo)行人由于某一行人而發(fā)生軌跡變化，那么目標(biāo)行人很可能是想要達(dá)到此行人的后方，根據(jù)這一思路，本發(fā)明提出了一個(gè)簡(jiǎn)單有效的行人目標(biāo)點(diǎn)局部預(yù)測(cè)方法。

參見附圖1，根據(jù)上述原理，首先根據(jù)目標(biāo)行人的歷史軌跡，確定目標(biāo)行人由于其他影響者而發(fā)生軌跡變動(dòng)的時(shí)刻t，設(shè)該時(shí)刻t目標(biāo)行人f的坐標(biāo)位置為(xf，yf)，影響者e的坐標(biāo)位置(xe，ye)，假定以e為圓心存在一個(gè)半徑為0.5米的個(gè)人空間圓p(即目標(biāo)行人不會(huì)接近e周圍0.5米內(nèi))，過f做圓p的兩條切線m和n。相對(duì)于目標(biāo)行人f，兩條切線m、n、圓p與視野邊界所圍成的范圍構(gòu)成了圓p的后方，該后方即為目標(biāo)行人的估計(jì)目標(biāo)點(diǎn)范圍pda(possibledestinationarea)。結(jié)合該估計(jì)的目標(biāo)點(diǎn)范圍pda，可以對(duì)上述全局預(yù)測(cè)方法得到的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行篩選，從而排除目標(biāo)點(diǎn)不在該pda的預(yù)測(cè)路線。

以上所述僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，故凡依本發(fā)明專利申請(qǐng)范圍所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均包括于本發(fā)明專利申請(qǐng)范圍內(nèi)。