一种巡线机器人路径规划方法与流程

1.本发明涉及机器人领域，具体涉及一种巡线机器人路径规划方法。


背景技术：

2.随着计算机技术、传感器技术以及人工智能技术的快速发展，机器人技术也变得日趋成熟，尤其是移动类型的机器人应用最为广泛。但是目前的机器人还是存在很多不足之处，譬如大多数情况下机器人的工作环境是未知或者不确定的，目前的机器人还不能很好地完成在陌生环境中完成指定路线。因此，以上问题亟需解决。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种巡线机器人路径规划方法，可在复杂环境下搜索出全局最优路径，提高了机器人自主躲避障碍能力。
4.为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：本发明的一种巡线机器人路径规划方法，其创新点在于包括以下步骤：（1）获取初始位姿：通过初始位姿获取模块获取机器人的初始位姿；（2）创建先验地图：根据初始位姿以及传感器测得的数据来创建先验地图；（3）计算出全局路径：通过先验地图计算出控制机器人行走的全局路径；（4）探测全局路径中的障碍物：通过障碍物探测模块和传感器的配合，判断在机器人行走过程中，是否探测到全局路径中的障碍物；（5）避障路径规划：通过局部路径优化控制机器人避开障碍物。
5.优选的，在上述步骤（1）中，根据机器人的位姿和里程计的控制信息来获取机器人的初始位姿。
6.优选的，在上述步骤（2）中，通过先验地图创建模块来创建先验地图。
7.优选的，在上述步骤（3）中，全局路线计算模块通过快速扩展树算法构建全局路径对应的路径生长树，进而在先验地图计算出控制机器人行走的全局路径。
8.优选的，在上述步骤（3）中，快速扩展树算法为通过引入一个目标引力函数，促使扩散树随机朝目标点方向生长的算法。
9.优选的，在上述步骤（3）中，在生长阶段，选取生长点时引入衡量节点探索失败次数的影响因子，实现自适应调整生长阶段节点的生长权值，进而确保搜索树朝着最有利的方向生长；同时在探索过程中，结合机器人自身运动约束，以机器人自身最大转角限制探索方向，确保规划路径实际安全性；最后以当前节点到目标点的距离作为启发因子，进而使搜索出的路径分支节点少、路径更平滑。
10.优选的，在上述步骤（4）中，获取传感器测得的实时数据，由障碍物探测模块判断在机器人行走过程中，传感器是否探测到全局路径中的障碍物。
11.优选的，在上述步骤（5）中，当传感器探测到全局路径中的障碍物时，避障路径规划的具体步骤为：
（5.1）根据传感器探测到的环境信息、以及传感器计算出的每一个障碍物到机器人的相对距离，建立感知环境模型；（5.2）利用已知障碍区信息进行局部路径优化；（5.3）根据局部优化路径更新感知环境模型，进而控制机器人避开障碍物。
12.优选的，在上述步骤（5.2）中，局部路径优化的具体步骤为：（5.2.1）路径初始化：先在机器人和目标点之间生成线段，然后计算线段和障碍物是否相交，若不相交，则结束，若相交，则记录交点，从交点出发沿着障碍物的边缘顺时针方向生成正向搜索线，并从交点出发沿着障碍物的边缘逆时针方向生成反向搜索线；（5.2.2）正向搜索：沿着正向搜索线移动交点，每次移动得到新的交点，判断新交点与目标点之间新线段和障碍是否相交，若相交则继续搜索，否则停止移动并存储该新交点并标记该点为交点ⅰ，同时生成新的线段ⅰ，当线段ⅰ和障碍物不相交且能够直接和目标点联通时，将路径进行标记同时进入下一步，否则重复正向搜索步骤继续搜索；（5.2.3）反向搜索：沿着反向搜索线移动交点，每次移动得到新的交点，判断新的交点与目标点之间新线段和障碍是否相交，若相交则继续搜索，否则停止移动并存储该新交点并标记该点为交点ⅱ，同时生成新的线段ⅱ，当线段ⅱ和障碍物不相交且能够直接和目标点联通时，将路径进行标记同时进入下一步，否则继续重复反向搜索步骤搜索；（5.2.4）正反搜索路径优化：首先从交点ⅰ开始，沿着与步骤（5.2.3）中反向搜索线相反的方向沿障碍物的边缘搜寻机器人，若交点ⅰ和机器人的连线与障碍物相交则设置交点ⅲ，同时沿着与反向搜索相反的方向移动交点ⅲ，若交点ⅰ和机器人的连线与障碍物不相交，则记为交点ⅳ，此时交点
ⅳꢀ
与交点ⅰ重合，并设置该点与机器人的连线ⅰ，继续沿着与反向搜索线相反的方向搜寻机器人，直到连线ⅰ和 障碍物不相交且能够直接和机器人联通时结束；随后从 交点ⅱ开始，沿与步骤（5.2.2）中正向搜索线相反的方向沿障碍物的边缘搜寻机器人，在搜索过程中，把越过障碍物并且第一次看到机器人位置记为交点
ⅴ
，并生成线段ⅲ，最后比较正向搜索新路径和反向搜索新路径之间路径距离的长短，其中距离短的一条就是要寻找的机器人运行到目的点的最短路径。
13.本发明的有益效果：（1）本发明可在复杂环境下搜索出全局最优路径，提高了机器人自主躲避障碍能力；（2）本发明通过充分利用已知障碍区信息对即将行进的路径进行优化，在机器人行进过程中双向搜索局部优化路径，进而使得机器人能够自动以优化方式绕过障碍物，提高了机器人自主躲避障碍能力。
附图说明
14.为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明一种巡线机器人路径规划方法的流程图。
具体实施方式
16.下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
17.本发明的一种巡线机器人路径规划方法，包括以下步骤：（1）获取初始位姿：通过初始位姿获取模块获取机器人的初始位姿；在上述步骤中，根据机器人的位姿和里程计的控制信息来获取机器人的初始位姿。
18.（2）创建先验地图：根据初始位姿以及传感器测得的数据来创建先验地图；在上述步骤中，通过先验地图创建模块来创建先验地图。
19.（3）计算出全局路径：通过先验地图计算出控制机器人行走的全局路径；在上述步骤中，全局路线计算模块通过快速扩展树算法构建全局路径对应的路径生长树，进而在先验地图计算出控制机器人行走的全局路径。
20.其中，快速扩展树算法为通过引入一个目标引力函数，促使扩散树随机朝目标点方向生长的算法；具体为：在生长阶段，选取生长点时引入衡量节点探索失败次数的影响因子，实现自适应调整生长阶段节点的生长权值，进而确保搜索树朝着最有利的方向生长；同时在探索过程中，结合机器人自身运动约束，以机器人自身最大转角限制探索方向，确保规划路径实际安全性；最后以当前节点到目标点的距离作为启发因子，进而使搜索出的路径分支节点少、路径更平滑。
21.（4）探测全局路径中的障碍物：通过障碍物探测模块和传感器的配合，判断在机器人行走过程中，是否探测到全局路径中的障碍物；在上述步骤中，获取传感器测得的实时数据，由障碍物探测模块判断在机器人行走过程中，传感器是否探测到全局路径中的障碍物。
22.（5）避障路径规划：通过局部路径优化控制机器人避开障碍物。
23.在上述步骤中，当传感器探测到全局路径中的障碍物时，避障路径规划的具体步骤为：（5.1）根据传感器探测到的环境信息、以及传感器计算出的每一个障碍物到机器人的相对距离，建立感知环境模型。
24.（5.2）利用已知障碍区信息进行局部路径优化；其中，局部路径优化的具体步骤为：（5.2.1）路径初始化：先在机器人和目标点之间生成线段，然后计算线段和障碍物是否相交，若不相交，则结束，若相交，则记录交点，从交点出发沿着障碍物的边缘顺时针方向生成正向搜索线，并从交点出发沿着障碍物的边缘逆时针方向生成反向搜索线；（5.2.2）正向搜索：沿着正向搜索线移动交点，每次移动得到新的交点，判断新交点与目标点之间新线段和障碍是否相交，若相交则继续搜索，否则停止移动并存储该新交点并标记该点为交点ⅰ，同时生成新的线段ⅰ，当线段ⅰ和障碍物不相交且能够直接和目标点联通时，将路径进行标记同时进入下一步，否则重复正向搜索步骤继续搜索；（5.2.3）反向搜索：沿着反向搜索线移动交点，每次移动得到新的交点，判断新的交点与目标点之间新线段和障碍是否相交，若相交则继续搜索，否则停止移动并存储该新交点并标记该点为交点ⅱ，同时生成新的线段ⅱ，当线段ⅱ和障碍物不相交且能够直接和目标点联通时，将路径进行标记同时进入下一步，否则继续重复反向搜索步骤搜索；
（5.2.4）正反搜索路径优化：首先从交点ⅰ开始，沿着与步骤（5.2.3）中反向搜索线相反的方向沿障碍物的边缘搜寻机器人，若交点ⅰ和机器人的连线与障碍物相交则设置交点ⅲ，同时沿着与反向搜索相反的方向移动交点ⅲ，若交点ⅰ和机器人的连线与障碍物不相交，则记为交点ⅳ，此时交点
ⅳꢀ
与交点ⅰ重合，并设置该点与机器人的连线ⅰ，继续沿着与反向搜索线相反的方向搜寻机器人，直到连线ⅰ和 障碍物不相交且能够直接和机器人联通时结束；随后从 交点ⅱ开始，沿与步骤（5.2.2）中正向搜索线相反的方向沿障碍物的边缘搜寻机器人，在搜索过程中，把越过障碍物并且第一次看到机器人位置记为交点
ⅴ
，并生成线段ⅲ，最后比较正向搜索新路径和反向搜索新路径之间路径距离的长短，其中距离短的一条就是要寻找的机器人运行到目的点的最短路径。
25.（5.3）根据局部优化路径更新感知环境模型，进而控制机器人避开障碍物。
26.本发明的有益效果：（1）本发明可在复杂环境下搜索出全局最优路径，提高了机器人自主躲避障碍能力；（2）本发明通过充分利用已知障碍区信息对即将行进的路径进行优化，在机器人行进过程中双向搜索局部优化路径，进而使得机器人能够自动以优化方式绕过障碍物，提高了机器人自主躲避障碍能力。
27.上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。