一種基于柵格地圖的環(huán)境特征的相似性度量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及人工智能、模式識別與Fourier變換、Walsh變換等離散正交變換技 術(shù)，特別是機器人對陌生環(huán)境的建模及識別的方法，應(yīng)用于機器人的環(huán)境識別與自主運動 方面。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著近些年工業(yè)機器人的發(fā)展，帶動了服務(wù)機器人行業(yè)的逐漸掘起，同時從2014 年開始的智能硬件領(lǐng)域也開始突起，根據(jù)國際機器人聯(lián)盟的統(tǒng)計，2015年服務(wù)機器人銷售 額將達85億美元，并且保持較高的20%~30%增長率，在智能硬件領(lǐng)域，據(jù)艾瑞研究，2014 年全球智能硬件裝機量達到60億臺，預(yù)計2017年將超過140億臺。
[0003] 在市場高速發(fā)展的背后，問題同樣明顯，一方面市場的潛力還遠未挖掘出來，另一 方面，機器人及智能硬件進入服務(wù)行業(yè)也存在著一些技術(shù)難點，例如機器人進入實際的家 庭環(huán)境中，進行環(huán)境識別與安全性地自主移動等，目前來看都還有一定的技術(shù)難點。
[0004] 發(fā)明目的
[0005] 本發(fā)明的主要目的就是解決基于柵格地圖的環(huán)境建模后的環(huán)境相似性判斷及相 似程度度量，它提供一種方法，輔助環(huán)境識別，為其他實際應(yīng)用提供技術(shù)支撐?？梢缘幌?于應(yīng)用在面向家庭的機器人游戲及機器人清潔方面。
[0006] 技術(shù)方案
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：通過相關(guān)設(shè)備及算法，例如激光雷達、SLAM算法等， 已經(jīng)獲取了實際環(huán)境的柵格地圖信息，并在柵格地圖中做了環(huán)境特征建模，其包括以下步 驟：
[0008] (1)在環(huán)境特征建模時，考慮到計算的方便，我們設(shè)定一個影響距離σ，即障礙物 柵格對周邊柵格的影響范圍，σ可以是但不限于歐氏距離、曼哈頓（Manhattan)距離等。同 時也為了計算方便，把柵格X的影響向量f(x)元素都平均離散到柵格X的八個方向上[0， JT/4, π/2, 3 π/4, π，5 π/4, 3 π/2, 7 π/4]，并且計算柵格X的影響向量f (X)的特征向量 與特征譜，這里給出兩種特征向量及特征譜的計算方法，
[0009] (2)在環(huán)境特征表示系統(tǒng)中，把每個空閑柵格的影響向量的每個分量初始化為0， 逐個分析每個障礙物柵格對σ距離內(nèi)的所有柵格的影響，例如，在分析的過程中，障礙物 柵格ξ相對柵格X的角度為Θ，距離為d，d < σ，則障礙物柵格ξ對柵格X的影響函數(shù) 可以是但不限于f (Xe,d) = Ι/d，如果Θ恰好在柵格X的八個方向中的某一方向上，則直接 在這個方向上疊加即可，如果Θ在某兩個方向之間，例如Θ e (π/4，π/2)，則按照向量 分解，把f (Xe,d)分解并疊加到方向/4與方向π/2上，當(dāng)對所有的障礙物柵格分析完成 后，每一個柵格的影響向量已經(jīng)計算完成，并存儲在柵格中，記為f (X) = [fi，f2, . . .，f8]
[0010] (3)在環(huán)境特征建模時，考慮到計算的方便，我們求取f (X) = [f\，f2, . . .，fs]的 特征向量F(x)，并存儲在柵格中：
[0011] 方法一、通過Fourier變換求取F(X)，令變換算子供=FfT，根據(jù)快速Fourier變 換計算得，
[0012]
[0013] 方法二，通過Walsh變換求取F(x)，令變換算子P = ，根據(jù)快速Walsh Hadama變換算得，
[0015] 上述公式中的8x8矩陣，是8維的Walsh Hadama變換矩陣，不同的維數(shù)，所對應(yīng)的 Walsh Hadama變換矩陣是不相同的，其中：
[0017] (4)在環(huán)境特征建模時，考慮到計算的方便，我們求取特征向量F(X) = [F1, F2, . . .，F(xiàn)8]的特征譜P (X)，并存儲在柵格中：
[0018] 方法一、根據(jù)快速Fourier變換求出的特征向量F(X) = [F1, F2，···，F(xiàn)8]，我們有，
[0019] p(x) = [If1I，|f2|，···，|fs|]，通過求模運算，特征譜元素 p(x) [i] = |f(x) [i] =|F1+1|，i e [0,7]
[0020] 方法二、根據(jù)快速Walsh Hadama變換求出的特征向量F (X) = [F1, F2,. . .，F(xiàn)8]，我 們有，
[0022] (5)在環(huán)境特征相似性度量系統(tǒng)中，我們設(shè)定閾值deg reethrash°ld，環(huán)境柵格X的 影響向量f(x)=[匕，心...，&]，根據(jù)以上步驟求取對應(yīng)的特征譜？〇〇，另一環(huán)境柵格 7， 并比對相應(yīng)的特征譜P(y)，記向量P(x)與向量P(y)之間的夾角為Z (P(x)，P(y))彡deg reethresh°ld，計算
，如果 cos Z (P (x)，P (y))彡 cos (deg reethrash°ld)，就表示柵格y與目標(biāo)柵格x在實際環(huán)境中是相似的，
[0023] (6)在環(huán)境特征相似性度量系統(tǒng)中，對兩個相似的環(huán)境柵格X與環(huán)境柵格y，如 果：
[0024]
，考慮到i e [l，n]，等于零的情況，我們 取
[0025]
[0026] 令，
，則我們定義環(huán)境柵格X到環(huán)境柵格y的相似比為λ。
[0027] (7)在環(huán)境特征相似性度量系統(tǒng)中，對兩個相似的環(huán)境柵格X與環(huán)境柵格y，根據(jù) 它們的特征向量F(X)與F(y)來考察其旋轉(zhuǎn)不變性與鏡像對稱性，
[0028] 方法一、根據(jù)快速Fourier變換，令
[0030] 如果，
，則F(X)循環(huán)右移r步等同 F (y)，也就是實際環(huán)境柵格X循環(huán)右移r步與實際環(huán)境柵格y在空間上各向同性，即旋轉(zhuǎn)不 變性。
[0031] 如果，
則F(X)鏡像對稱后再循環(huán)右移r步等 同F(xiàn) (y)，如果r = 0我們稱環(huán)境柵格X與環(huán)境柵格y具有鏡像對稱性。
[0032] 方法二、根據(jù)快速Wal sh Hadama變換，令：
[0033]
[0034] 如果，Z7(JV) = (A8)Y(X) = A^F(X), 1 = 0,1，2，…，7,則 F(X)循環(huán)左移 1 步等同 F (y)，也就是實際環(huán)境柵格X循環(huán)左移1步與實際環(huán)境柵格y在空間上各向同性，即旋轉(zhuǎn)不 變性。
[0035] 如果，
則F (X)鏡像對稱 后再循環(huán)左移1步等同F(xiàn) (y)，如果I = O我們稱環(huán)境柵格X與環(huán)境柵格y具有鏡像對稱性。
[0036] 本發(fā)明所使用的系統(tǒng)組成如下：相似性判斷系統(tǒng)、相似比度量系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)性度量系 統(tǒng)、對稱性度量系統(tǒng)。這四個系統(tǒng)是按照功能設(shè)置的軟件系統(tǒng)，各子系統(tǒng)具體功能如下：
[0037] *相似性判斷系統(tǒng)：在已建模后的柵格地圖上，分析比對特征譜向量，判斷環(huán)境柵 格的相似性，
[0038] *相似比度量系統(tǒng)：對相似的環(huán)境計算其相似比，
[0039] *旋轉(zhuǎn)性度量系統(tǒng)：對相似的環(huán)境計算其旋轉(zhuǎn)性，
[0040] *對稱性度量系統(tǒng)：對相似的環(huán)境計算其對稱性。
【附圖說明】：
[0041 ] 圖1是本發(fā)明方法所用系統(tǒng)組成圖
[0042] 圖2(a)是柵格地圖，（b)是柵格的影響向量
[0043] 圖3是柵格影響的向量分解
[0044] 圖4(a)、（b)、（C)分別表示不同的角落環(huán)境
【具體實施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖，說明本發(fā)明的實施方式。
[0046] 本發(fā)明方法所用的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可參考圖1，它有四個子系統(tǒng)組成，具體包含如下 步驟：
[0047] 第一步
[0048] 首先，環(huán)境相似性判斷系統(tǒng)，定義距離為歐氏距離，設(shè)定影響距離σ = 4,即障礙 物柵格只影響周邊距離4以內(nèi)的柵格，如圖2(a)與（b)所示，按π/4把柵格的影響平均分 配到八個方向上。
[0049] 其次，在環(huán)境相似性判斷系統(tǒng)里，設(shè)定deg reethrash°ld= 5°。
[0050] 第二步
[0051] 如圖2(b)所示，初始化每個柵格的影響向量f1= 0, i e [1，8]，逐個掃描柵格地 圖中的每一個柵格，對每一個障礙物柵格全面計算對周邊柵格的影響。
[0052] 例如，如圖2(a)所示，障礙物柵格（4,4)對柵格（4,3)的影響= 1，且其 只影響柵格（4,3)的f3分量，所以f 3= IfVf(X1^1) = 0+1 = 1。
[0053] 同理，障礙物柵格（2,3)對柵格（4,3)的影響f(XlI,2) = 1/2,且其