一种机器人避障方法、机器人及计算机可读存储介质与流程

1.本发明涉及智能机器人领域，尤其涉及一种机器人避障方法、机器人及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.随着人工智能技术发展，机器人在生活中越来越常见，目前在酒店等服务场所，通常会使用机器人进行迎宾，带领客人到达目的地，或者利用机器人送餐，将物品送达到房间，机器人在工作时会通过识别面前的障碍物，从而采取措施避开障碍物。
3.在相关技术中，机器人通常利用激光雷达或者摄像头识别障碍物，但是在一些特定的工作场景下，例如面临玻璃等障碍物时，激光雷达或者摄像识别障碍物的方法将会失效，这些方式无法准确避障，影响机器人运行的安全性。
4.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种机器人避障方法、机器人及计算机可读存储介质，旨在达成提高机器人避障的准确性的效果。
6.为实现上述目的，本发明提供一种机器人避障方法，应用于设置有声呐装置的机器人，所述机器人避障方法包括以下步骤：
7.控制所述声呐装置向所述机器人所在环境发射声波信号，并接收所述声波信号的返回信号；
8.根据所述返回信号确定障碍物信息，并获取所述机器人对应工作区域的栅格地图；
9.根据所述障碍物信息更新所述栅格地图上的障碍物区域，以通过更新后的所述栅格地图控制所述机器人的行动。
10.可选地，所述根据所述障碍物信息更新所述栅格地图上的障碍物区域的步骤包括：
11.根据所述障碍物信息确定障碍物在地图坐标系中的位置信息，其中，所述地图坐标系为基于所述机器人所在位置创建的所述栅格地图对应的坐标系；
12.根据所述位置信息确定所述障碍物在所述栅格地图上对应的像素点坐标，并更新所述像素点坐标对应的目标代价值；
13.根据所述目标代价值更新所述栅格地图上的障碍物区域。
14.可选地，所述根据所述障碍物信息确定障碍物在地图坐标系中的位置信息的步骤包括：
15.获取所述障碍物信息所在坐标系与所述地图坐标系之间的转换关系；
16.根据所述转换关系将所述障碍物信息转化为所述位置信息。
17.可选地，所述更新所述像素点坐标对应的目标代价值的步骤包括：
18.获取所述栅格地图上的障碍物区域的预设代价值；
19.根据所述预设代价值更新所述像素点坐标对应的所述目标代价值。
20.可选地，所述根据所述目标代价值更新所述栅格地图上的障碍物区域的步骤之后，还包括：
21.根据所述机器人在所述栅格地图中的当前位置向前方获取有效路径，并确定所述有效路径在所述栅格地图中对应的代价值；
22.根据所述代价值确定其中一条有效路径为可行驶路径，并控制所述机器人沿所述可行驶路径移动。
23.可选地，所述机器人包括至少两个声呐装置，所述根据所述返回信号确定障碍物信息的步骤包括：
24.获取第一声呐装置发送所述声波信号和接收到所述返回信号的第一时间，以及获取第二声呐装置发送所述声波信号和接收到所述返回信号的第二时间；
25.根据所述第一时间确认障碍物与所述第一声呐装置的第一距离，以及根据所述第二时间确认所述障碍物与所述第二声呐装置的第二距离，并获取所述第一声呐装置和所述第二声呐装置之间的第三距离；
26.根据所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离确定所述障碍物与所述机器人之间的相对位置。
27.可选地，所述根据所述障碍物信息更新所述栅格地图上的障碍物区域，以通过更新后的所述栅格地图控制所述机器人的行动的步骤包括：
28.获取所述机器人的当前位置以及所述机器人的运行信息，根据所述当前位置和所述栅格地图判断前方是否有无障碍物区域，根据所述运行信息和判断结果确定所述机器人是否有碰撞威胁；
29.若确定所述机器人有碰撞威胁，则根据更新后的栅格地图重新规划可行驶路径，或者控制所述机器人减速慢行，或者控制所述机器人停止行动。
30.此外，为实现上述目的，本发明还提供一种机器人，所述机器人包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的机器人避障程序，所述机器人避障程序被所述处理器执行时实现如上所述的机器人避障方法的步骤。
31.此外，为实现上述目的，本发明还提供一种机器人，所述机器人包括：
32.发射模块，用于控制声呐装置向所述机器人所在环境发射声波信号，并接收所述声波信号的返回信号；
33.确定模块，根据所述返回信号确定障碍物信息，并获取所述机器人对应工作区域的栅格地图；
34.更新模块，用于根据所述障碍物信息更新所述栅格地图上的障碍物区域，以通过更新后的所述栅格地图控制所述机器人的行动。
35.此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有机器人避障程序，所述机器人避障程序被处理器执行时实现如上所述的机器人避障方法的步骤。
36.本发明实施例提出的一种机器人避障方法、机器人及计算机可读存储介质，所述
机器人设置有声呐装置，先控制所述声呐装置向所述机器人所在环境发射声波信号，并接收所述声波信号的返回信号；根据所述返回信号确定障碍物信息，并获取所述机器人对应工作区域的栅格地图；根据所述障碍物信息更新所述栅格地图上的障碍物区域，以通过更新后的所述栅格地图控制所述机器人的行动，这样通过机器人的声呐装置发射声波号，如果声波传播到所述机器人所在环境中的障碍物上，则会产生一个返回信号，从而确定障碍物信息，并根据障碍物信息更新栅格地图，由于声波的特性，本发明达成了提高机器人避障的准确性的效果，因此，基于上述实施例给出的方案，可以提高机器人运行的安全性。
附图说明
37.图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的终端结构示意图；
38.图2为本发明机器人避障方法的一实施例的流程示意图；
39.图3为本发明机器人避障方法的另一实施例的流程示意图；
40.图4为本发明实施例涉及的机器人架构简图。
41.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
42.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
43.由于在相关技术中，机器人通常利用激光雷达或者摄像头识别障碍物，但是在一些特定的工作场景下，例如面临玻璃等障碍物时，激光雷达或者摄像识别障碍物的方法将会失效。这样会使机器人无人准确避障，影响机器人运行的安全性。
44.为了提高机器人避障的准确性，本发明实施例提出一种机器人避障方法、机器人及计算机可读存储介质，其中，所述方法的主要步骤包括：
45.控制所述声呐装置向所述机器人所在环境发射声波信号，并接收所述声波信号的返回信号；
46.根据所述返回信号确定障碍物信息，并获取所述机器人对应工作区域的栅格地图；
47.根据所述障碍物信息更新所述栅格地图上的障碍物区域，以通过更新后的所述栅格地图控制所述机器人的行动。
48.以下结合附图对本发明权利要求要求保护的内容进行详细说明。
49.如图1所示，图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的终端结构示意图。
50.本发明实施例终端可以是机器人。
51.如图1所示，该终端可以包括：处理器1001，例如cpu，存储器1003，通信总线1002。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。存储器1003可以是高速ram存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1003可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
52.本领域技术人员可以理解，图1中示出的终端结构并不构成对终端的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
53.如图1所示，作为一种计算机存储介质的存储器1003中可以包括操作系统以及机器人避障程序。
54.在图1所示的终端中，处理器1001可以用于调用存储器1003中存储的机器人避障程序，并执行以下操作：
55.控制所述声呐装置向所述机器人所在环境发射声波信号，并接收所述声波信号的返回信号；
56.根据所述返回信号确定障碍物信息，并获取所述机器人对应工作区域的栅格地图；
57.根据所述障碍物信息更新所述栅格地图上的障碍物区域，以通过更新后的所述栅格地图控制所述机器人的行动。
58.进一步地，处理器1001可以调用存储器1003中存储的机器人避障程序，还执行以下操作：
59.根据所述障碍物信息确定障碍物在地图坐标系中的位置信息，其中，所述地图坐标系为基于所述机器人所在位置创建的所述栅格地图对应的坐标系；
60.根据所述位置信息确定所述障碍物在所述栅格地图上对应的像素点坐标，并更新所述像素点坐标对应的目标代价值；
61.根据所述目标代价值更新所述栅格地图上的障碍物区域。
62.进一步地，处理器1001可以调用存储器1003中存储的机器人避障程序，还执行以下操作：
63.获取所述障碍物信息所在坐标系与所述地图坐标系之间的转换关系；
64.根据所述转换关系将所述障碍物信息转化为所述位置信息。
65.进一步地，处理器1001可以调用存储器1003中存储的机器人避障程序，还执行以下操作：
66.获取所述栅格地图上的障碍物区域的预设代价值；
67.根据所述预设代价值更新所述像素点坐标对应的所述目标代价值。
68.进一步地，处理器1001可以调用存储器1003中存储的机器人避障程序，还执行以下操作：
69.根据所述机器人在所述栅格地图中的当前位置向前方获取有效路径，并确定所述有效路径在所述栅格地图中对应的代价值；
70.根据所述代价值确定其中一条有效路径为可行驶路径，并控制所述机器人沿所述可行驶路径移动。
71.进一步地，处理器1001可以调用存储器1003中存储的机器人避障程序，还执行以下操作：
72.获取第一声呐装置发送所述声波信号和接收到所述返回信号的第一时间，以及获取第二声呐装置发送所述声波信号和接收到所述返回信号的第二时间；
73.根据所述第一时间确认障碍物与所述第一声呐装置的第一距离，以及根据所述第二时间确认所述障碍物与所述第二声呐装置的第二距离，并获取所述第一声呐装置和所述第二声呐装置之间的第三距离；
74.根据所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离确定所述障碍物与所述机器人之间的相对位置。
75.进一步地，处理器1001可以调用存储器1003中存储的机器人避障程序，还执行以
下操作：
76.获取所述机器人的当前位置以及所述机器人的运行信息，根据所述当前位置和所述栅格地图判断前方是否有无障碍物区域，根据所述运行信息和判断结果确定所述机器人是否有碰撞威胁；
77.若确定所述机器人有碰撞威胁，则根据更新后的栅格地图重新规划可行驶路径，或者控制所述机器人减速慢行，或者控制所述机器人停止行动。
78.随着人工智能技术发展，机器人在生活中越来越常见，目前在酒店等服务场所，通常会使用机器人进行迎宾，带领客人到达目的地，或者利用机器人送餐，将物品送达到房间，机器人在工作时会通过识别面前的障碍物，从而采取措施避开障碍物。
79.在相关技术中，机器人可以利用激光雷达或者摄像头识别障碍物，可以利用二维码等标记障碍物，但是在一些特定的工作场景下，例如面临玻璃等障碍物时，激光雷达或者摄像通过光学原理来识别障碍物的方法将会失效，而二维码标记这种预设方式无法实时解决二维码脱落、遮挡等问题，导致机器人无法准确避障，影响机器人运行的安全性。
80.由此可见，在相关的机器人避障方法中，存在上述缺陷。本发明实施例为解决上述缺陷，提出一种应用于机器人的机器人避障方法，旨在达成提高机器人避障的准确性的效果，以提高机器人运行的安全性。
81.以下，通过具体示例性方案对本发明权利要求要求保护的内容，进行解释说明，以便本领域技术人员更好地理解本发明权利要求的保护范围。可以理解的是，以下示例性方案不对本发明的保护范围进行限定，仅用于解释本发明。
82.示例性地，参照图2，在本发明机器人避障方法的一实施例中，所述机器人避障方法包括以下步骤：
83.s10：控制所述声呐装置向所述机器人所在环境发射声波信号，并接收所述声波信号的返回信号；
84.本实施例中，上述机器人避障方法的执行主体可以是机器人，机器人是指可以根据目的地信息，确定一条可行驶的路径的移动物体，机器人还设置有声呐装置，声呐可以是由发射机、换能器、接收机、显示器、定时器控制器等主要部件构成，发射机直至电信号，经过换能器(一般用压电晶体)，把电信号变成声音信号发射出去，声音信号在检测到障碍物后，会反弹回来，形成一个返回信号，由于声波速度是定值，计时器会对声波的飞行时间进行记录，通过速度公式的计算，可以得到障碍物距离声呐的距离，可以确定障碍物与声呐装置的相对位置。
85.可选地，声呐装置可以装在机器人头部前方，也可以在前方180度范围内安装6个声呐，如此可以减少安装成本，获得覆盖范围更广的检测范围。
86.s20：根据所述返回信号确定障碍物信息，并获取所述机器人对应工作区域的栅格地图；
87.本实施例中，栅格地图是位图，位图图像亦称为点阵图像或绘制图像，是由称作像素(图片元素)的单个点组成的，简单来说，栅格就是一个规则的阵列，其中各个像元互不影响。栅格地图是机器人在工勘时建立的，机器人是依靠工作场景的栅格地图进行导航工作的，栅格地图中分为可行区域，未知区域和障碍物区域，机器人只能在可行区域通行。
88.可选地，通过声呐装置发射声波信号所形成的返回信号，可以确定障碍物与声呐
装置的相对位置，当声呐识别到物体时，根据返回信号可以确定障碍物信息，也是障碍物与声呐装置的相对位置，可选地，障碍物信息可以是坐标数据的形式，而对应的声呐坐标系(sonar_link坐标系)是以声呐装置为原点的坐标。
89.可选地，机器人可以包括至少两个声呐装置，获取第一声呐装置发送所述声波信号和接收到所述返回信号的第一时间，以及获取第二声呐装置发送所述声波信号和接收到所述返回信号的第二时间；根据所述第一时间确认障碍物与所述第一声呐装置的第一距离，以及根据所述第二时间确认所述障碍物与所述第二声呐装置的第二距离，并获取所述第一声呐装置和所述第二声呐装置之间的第三距离；根据所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离确定所述障碍物与所述机器人之间的相对位置。
90.可以理解的是，障碍物和两个声呐装置之间可以形成一个三角形，两个声呐装置水平设置。由于声波信号的速度不会改变，声呐装置中设置有定时器，可以从中获取声波信号中障碍物和声呐之间的飞行时间，通过速度公式计算得到第一距离和第二距离，而第三距离则是两个声呐装置之间的固定距离，可以预设在存储器中，计算时调用，三角形的三边确定后，通过三角计算公式，可以确定三角形的内角大小，通过三角形的三边和内角来确定所述障碍物与所述机器人之间的相对位置，根据相对位置可以确定障碍物信息。
91.s30：根据所述障碍物信息更新所述栅格地图上的障碍物区域，以通过更新后的所述栅格地图控制所述机器人的行动。
92.可选地，根据所述障碍物信息确定障碍物在地图坐标系中的位置信息，其中，所述地图坐标系为基于所述机器人所在位置创建的所述栅格地图对应的坐标系。
93.具体地，障碍物信息是坐标系中的坐标数据，需要把它转换为地图坐标系中的位置信息，位置信息可以是地图坐标系(map坐标系)中的坐标数据，map坐标系是以机器人开始创建栅格地图时的初始位置为原点的坐标系。
94.可选地，将障碍物信息转化为位置信息首先要获取障碍物信息所在坐标系与地图坐标系之间的转换关系，其中障碍物信息所在坐标系可以是以声呐装置为原点的坐标系，也可以是以机器人当前位置为原点的坐标系，转换关系一般通过tf树获得，tf树就是机器人中各坐标系的转换，例如map(地图坐标系)、odom(机器人里程计坐标系)、base_link(机器人中心坐标系)、laser_link(雷达坐标系)、sonar_link(声呐坐标系)等坐标系之间的转换关系在tf中都可以对应的找到，odom坐标系、base_link坐标系、laser_link坐标系、sonar_link坐标系之间的转化都是相对关系，不依赖定位，map坐标系与其他三个坐标系的转换是绝对关系，依赖定位。转换关系可以通过如下公式实现：
95.a’＝ra t
96.其中，a是待转换的坐标系，a’是转换后的坐标系，r为旋转矩阵，t为平移矩阵。
97.进一步地，
[0098][0099]
其中，是坐标系之间的变换关系。
[0100]
进一步地，旋转矩阵和旋转向量之间变换公式如下：
[0101]
r＝cosθi (1-cosθ)nn
t
sinθn^
[0102]
其中，n为旋转向量，r为旋转矩阵。
[0103]
可以理解的是，障碍物信息和位置信息的坐标值可以用(x，y，theat)表示，也可以用矩阵表示。
[0104]
进一步地，根据所述位置信息确定所述障碍物在所述栅格地图上对应的像素点坐标，并更新所述像素点坐标对应的目标代价值。
[0105]
栅格地图分为三部分，未知区域、障碍物区域、可行区域，根据声呐探测的物体坐标所在的栅格地图划分为障碍物区域，即根据位置信息确定栅格地图上像素点坐标，像素点坐标系是以栅格地图最左下角的点作为原点的坐标系。将位置信息转换为像素点坐标依据如下公式：
[0106]
mx＝((x0-origin_x)/0.05)；
[0107]
my＝((y0-origin_y)/0.05)；
[0108]
其中，(mx，my)为像素点坐标，(origin_x,origin_y)为栅格地图的原点坐标，(x0，y0)为位置信息，也即障碍物在map坐标系下对应的坐标。
[0109]
每个像素点都对应的设置一个代价值，对应了栅格地图的区域属性，在根据位置信息确认的像素点坐标上设定目标代价值，首先需要获取栅格地图上的障碍物区域的预设代价值，根据所述预设代价值更新所述像素点坐标对应的所述目标代价值，目标代价值可以是预设代价值，更新之后便是更新了像素点坐标对应的区域属性，即更新栅格地图的障碍物区域。
[0110]
可选地，在像素点坐标上设置目标代价值不一定是栅格地图上的障碍物区域的预设代价值，也是其他值，更新后再获取所述栅格地图上的障碍物区域的预设代价值，比较所述预设代价值与所述目标代价值，根据比较结果确定所述目标代价值对应的像素点坐标是否更新为障碍物区域。
[0111]
在栅格地图更新后，需要根据更新后的栅格地图来控制机器人行动。可选地，获取所述机器人的当前位置以及所述机器人的运行信息，运行信息包括机器人的运行速度，机器人型号等，根据所述当前位置和所述栅格地图判断前方是否有无障碍物区域，如果判断有障碍物区域，则根据所述运行信息和判断结果确定所述机器人是否有碰撞威胁；如果判断没有障碍物区域，则继续正常运行。
[0112]
若确定所述机器人有碰撞威胁，则根据更新后的栅格地图重新规划可行驶路径，或者控制所述机器人减速慢行，或者控制所述机器人停止行动，这样通过控制机器人的行动，避免机器人与障碍物的碰撞，以使机器人安全运行。
[0113]
本实施例公开的技术方案中，控制所述声呐装置向所述机器人所在环境发射声波信号，并接收所述声波信号的返回信号；根据所述返回信号确定障碍物信息，并获取所述机器人对应工作区域的栅格地图；根据所述障碍物信息更新所述栅格地图上的障碍物区域，以通过更新后的所述栅格地图控制所述机器人的行动，通过声呐装置发射声波信号来检测障碍物，得到返回信号并确定障碍物信息，根据障碍物信息更新栅格地图，以更新后的地图来控制机器人的行动，声波信号对障碍物的检测更为通用，所以本发明实施例达成了提高机器人检测障碍物的准确性的效果，实现了机器人避障，保证了机器人的安全性。
[0114]
可选地，参照图3，基于上述任一实施例，在本发明机器人避障方法的另一实施例中，所述机器人避障方法包括：
[0115]
s40：根据所述机器人在所述栅格地图中的当前位置向前方获取有效路径，并确定所述有效路径在所述栅格地图中的代价值；
[0116]
本实施例中，机器人通过栅格地图来确定行驶路线，在栅格地图更新后，机器人绕开声呐装置检测到的障碍物行驶，机器人会根据自己所在当前位置向前方(行驶方向)采样，以获得多条可以行驶的有效路径，采样的方式可以是a*算法或者d*算法。
[0117]
s50：根据所述代价值确定其中一条有效路径为可行驶路径，并控制所述机器人沿所述可行驶路径移动。
[0118]
栅格地图分为三部分，未知区域、障碍物区域、可行区域，其中，未知区域的预设代价值为-1，所述可行驶区域预设代价值为1，所述未知区域的预设代价值为0，从多条有效路径中确定一条在所述栅格地图中对应像素点坐标的代价值均为0的有效路径为可行驶路径，并控制所述机器人沿所述可行驶路径移动，如此，可以保障机器人在运行时，移动到的区域都是安全的可行区域。
[0119]
本实施例公开的技术方案中，通过机器人根据自己的当前位置向前方采样获取多条有效路径，根据栅格地图中有效路径在所述栅格地图中的代价值，并确定一条有效路径为可行驶路径，并控制所述机器人沿所述可行驶路径移动。从而实现利用声呐装置检测障碍物并更新栅格地图，根据栅格地图来确定行驶路线，一方面保证了机器人的正常工作及运行，另一方面提高了机器人避开障碍物的准确性，保障了机器人的运行安全。
[0120]
此外，本发明实施例还提出一种机器人，所述机器人包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的机器人避障程序，所述机器人避障程序被所述处理器执行时实现如上各个实施例所述的机器人避障方法的步骤。
[0121]
此外，本发明实施例还提出一种机器人，示例性地，参照图4，所述机器人100包括：
[0122]
发射模块101，确定模块102和更新模块103，其中，所述发射模块101用于控制声呐装置向所述机器人所在环境发射声波信号，并接收所述声波信号的返回信号；所述确定模块102根据所述返回信号确定障碍物信息，并获取所述机器人对应工作区域的栅格地图；所述更新模块103，用于根据所述障碍物信息更新所述栅格地图上的障碍物区域，以通过更新后的所述栅格地图控制所述机器人的行动。
[0123]
此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有机器人避障程序，所述机器人避障程序被处理器执行时实现如上各个实施例所述的机器人避障方法的步骤。
[0124]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0125]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0126]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个
存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得网络功能nf执行本发明各个实施例所述的方法。
[0127]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。