基于激光雷达的移动机器人控制方法及移动机器人与流程

1.本发明涉及移动机器人领域，尤其涉及一种基于激光雷达的移动机器人控制方法及移动机器人。


背景技术：

2.路径规划是移动机器人导航最基本的环节之一，它是按照任务要求搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰撞路径。为机器人提供良好的移动路径对提升机器人导航性能有重要意义。
3.常用的路径规划方法是首先要感知外部环境，建立全局环境地图，再根据全局环境地图判断周围环境有无障碍物并判断如何避开障碍物，在地图已知的情况下为机器人规划一条从起点到终点的路径，并且每一次规划路径都需要重新更新地图模型。这种方式规划的算法比较慢，执行效率低且实时性差，无法同时兼顾反应速度快和导航控制效果。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种基于激光雷达的移动机器人控制方法及移动机器人，旨在使得移动机器人同时兼具反应速度快和导航控制效果的优点。
5.为实现上述目的，本发明提出基于激光雷达的移动机器人控制方法，包括以下步骤：步骤s10、基于预设的第一地图模型，获取环境地图上的控制模式切换点，所述控制模式切换点用于指示所述移动机器人切换工作模式；步骤s20、判断移动机器人的位置是否在所述控制模式切换点的预设范围；步骤s30、若所述移动机器人的位置在所述控制模式切换点的预设范围外，控制所述移动机器人执行反应式模式，并在所述反应式模式下，执行以下步骤：基于第一地图模型获取移动机器人的位置以及激光雷达扫描范围内的第一障碍标定点，并根据所述移动机器人的位置与所述第一障碍标定点的位置之间的距离调节所述移动机器人的运动参数；步骤s40、若所述移动机器人的位置在所述控制模式切换点的预设范围内，控制所述移动机器人执行反射式模式，并在所述反射式模式下，执行以下步骤：获取环境特征，并根据所获取的环境特征以及所述第一地图模型更新所述第一地图模型为第二地图模型；基于第二地图模型获取移动机器人的位置以及激光雷达扫描范围内的第二障碍标定点，并根据所述移动机器人的位置与所述第二障碍标定点的位置规划所述移动机器人的运动路径；根据规划的所述运动路径控制所述移动机器人运动。
6.可选地，所述根据所述移动机器人的位置与所述第一障碍标定点的位置之间的距离调节所述移动机器人的运动参数具体包括以下步骤：
在所述移动机器人的位置与所述第一障碍标定点的位置之间的距离小于第一预设距离时，控制所述移动机器人停止运行。
7.可选地，所述根据所述移动机器人的位置与所述第一障碍标定点的位置之间的距离调节所述移动机器人的运动参数具体包括以下步骤：在所述移动机器人的位置与所述第一障碍标定点的位置之间的距小于第二预设距离时，将所述移动机器人的速度调小。
8.可选地，所述移动机器人运行环境中预设车道线，所述反应式模式还包括以下步骤：根据所述移动机器人当前运行环境，获取与当前运行环境匹配的预设车道线；控制所述移动机器人根据预设车道线的指示信息运动。
9.可选地，所述步骤s40还包括以下步骤：基于所述第二地图模型，设置终止节点，并将所述移动机器人的位置设置为起点节点；判断所述起点节点与所述终止节点之间是否存在障碍点；在所述起点节点与所述终止节点之间不存在障碍点时，将所述起点节点与所述终止节点连线以形成所述移动机器人的运动路径；在所述起点节点与所述终止节点之间存在障碍点时，以所述起点节点为搜索中心并且以八邻域的方式查找中间节点，使得所述中间节点与所述起点节点之间可直达且与所述终止节点之间可直达，将所述起点节点、所述中间节点以及所述终止节点依次连线以形成所述移动机器人的运动路径。
10.可选地，以所述起点节点为搜索中心并且以八邻域的方式查找中间节点具体包括以下步骤：以所述起点节点为搜索中心，以所述搜索中心的邻域向无障碍标定点的区域查找所述中间节点；判断所述中间节点与所述终止节点之间是否存在障碍点；在所述中间节点与所述终止节点之间不存在障碍点时，将所述起点节点、所述中间节点以及所述终止节点依次连线以形成所述移动机器人的运动路径；在所述中间节点与所述终止节点之间存在障碍点时，将所述中间节点更新为所述搜索中心，重复查找所述中间节点的步骤，直至所述中间节点与所述终止节点之间不存在障碍点。
11.可选地，判断两点之间是否存在障碍点具体包括以下步骤：将两点相连形成路径线段；在任意一个所述第二障碍标定点与路径线段之间的距离小于第一预设距离时，两点之间不存在障碍点，在所有所述第二障碍标定点与路径线段之间的距离大于或等于第一预设距离时，两点之间存在障碍点。
12.可选地，所述第一地图模型及所述第二地图模型具体为以全局栅格地图环境所建立的地图模型。
13.本发明提出一种控制器，所述控制器包括存储器、处理器，所述存储器上存储有一种基于激光雷达的移动机器人的控制程序，所述基于激光雷达的移动机器人的控制程序被
所述处理器执行时实现如上所述的基于激光雷达的移动机器人控制方法的步骤。
14.本发明提出一种移动机器人，所述移动机器人装配有如上所述的控制器，所述移动机器人用于根据所述控制器输出的控制指令工作。
15.本发明通过在地图模型上设置控制模式切换点以控制移动机器人执行反应式模式/反射式模式，工作时，根据移动机器人的位置是否在控制模式切换点的预设范围控制移动机器人执行反应式模式/反射式模式。其中，移动机器人执行反应式模式时，基于原有的地图模型获取障碍点，移动机器人根据自身与障碍点之间的距离调节位姿以避障；移动机器人执行反射式模式时，移动机器人重新获取环境特征，并更新地图模型，移动机器人基于更新后的地图模型获取障碍点和实现自我定位，并根据获取的障碍点和自我定位点规划运动轨迹，并按照规划的运动轨迹运动。控制模式切换点可以根据地图环境中障碍物的数量设置的，使得移动机器人能够在障碍物较少的环境执行反应式模式，在障碍物较多的环境执行反射式模式，使得移动机器人能够同时适应于多种工作环境，同时兼具反应速度快和导航控制效果的优点。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
17.图1为本发明基于激光雷达的移动机器人控制方法一实施例的工作流程图；图2为本发明基于激光雷达的移动机器人控制方法一实施例的地图模型区域规划示意图。
18.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
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动轻况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
20.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
21.参照图1及图2，在本发明一实施例中，该基于激光雷达的移动机器人控制方法包
括：步骤s10、基于预设的第一地图模型，获取环境地图上的控制模式切换点，所述控制模式切换点用于指示所述移动机器人切换工作模式；步骤s20、判断所述移动机器人的位置是否在所述控制模式切换点的预设范围；步骤s30、若所述移动机器人的位置在所述控制模式切换点的预设范围外，控制所述移动机器人执行反应式模式，并在所述反应式模式下，执行以下步骤：基于第一地图模型获取移动机器人的位置以及激光雷达扫描范围内的第一障碍标定点，并根据所述移动机器人的位置与所述第一障碍标定点的位置之间的距离调节所述移动机器人的运动参数；步骤s40、若所述移动机器人的位置在所述控制模式切换点的预设范围内，控制所述移动机器人执行反射式模式，并在所述反射式模式下，执行以下步骤：获取环境特征，并根据所获取的环境特征以及所述第一地图模型更新所述第一地图模型为第二地图模型；基于第二地图模型获取移动机器人的位置以及激光雷达扫描范围内的第二障碍标定点，并根据所述移动机器人的位置与所述第二障碍标定点的位置规划所述移动机器人的运动路径；根据规划的所述运动路径控制所述移动机器人运动。
22.在本实施例中，移动机器人通过感知控制模式切换点的位置，进行反应式模式与反射式模式两种工作模式之间的切换。
23.其中，在反应式模式下，执行“感知-执行”的步骤，移动机器人可以通过融合一个或多个传感器与移动机器人的执行系统来实现，执行的工作与感应器件的输入信号存在一个直接的映射关系。移动机器人在感知到信号输入时，直接执行与感知到的信号对应的行为，类似与人体中的非条件反射行为。反应式模式的控制逻辑简单，是由感应器件与执行器直接的映射关系而得到的，具有执行效率高，速度快的优点。反应式模式下的移动机器人对于简单的环境可以实现比较理想的导航控制效果，但是移动机器人无法自我进行路径规划，无法生成地图，在障碍物比较多或者其他比较复杂的环境下不适用。
24.反应式模式下不需要更新地图模型，以原有的地图模型为基准，通过感知移动机器人的位置与障碍点的位置调整移动机器人的位姿以实现避障。
25.在反射式模式下，执行“感知-建模-规划-执行”的步骤，机器人首先要感知外部环境，建立全局环境地图，然后停止感知部分的工作，规划部分规划出路径，最后移动机器人开始执行指令。在反射式模式下，移动机器人将感知的数据处理成一个模型，规划器采用这个模型进行规划，移动机器人能够实时根据具体的环境自我进行路径规划，能够适用于障碍物比较多或者其他比较复杂的环境。但是移动机器人每次进行规划时都要更新环境地图，并且规划的算法比较慢，执行效率低且实时性差。
26.反射式模式下，通过感知环境特征，重新更新环境地图，并以更新后的环境地图为基准，规划移动机器人的运动路径，最后扩展移动机器人按照规划好的运动路径运动。
27.控制模式切换点用于设置移动机器人执行反应式模式的工作区域以及移动机器人执行反射式模式的工作区域。以控制模式切换点为邻域的预设范围内可以被设置为反射式模式的工作区域，而其余部分可以被设置为反应式的工作模式。
28.本实施例中的障碍标定点为移动机器人在移动过程中不能通过的点。例如，以障碍的高度进行标定，移动机器人可以通过激光雷达或者摄像头获取具有深度信息的图像，然后将高度超过阈值的点认定为障碍标定点，即在该点处存在障碍物。
29.本实施例中，基于预设的第一图像模型所获取的障碍标定点为第一障碍标定点，基于更新后的第二图像模型所获取的障碍标定点为第二障碍标定点。
30.由于移动机器人的反应式模式适用于障碍物较少的环境，而移动机器人的反射式模式适用于障碍物较多的环境，控制模式切换点可以设置于障碍物较多的环境下，使得移动机器人在障碍物较少的环境下执行反应式模式，在障碍物较多的环境下执行反射式模式。
31.控制模式切换点也可以设置于地面较为平坦的环境，由于反射式模式是通过激光雷达的导航来实现地图的更新，定位和规划路径的，更加适用于地面较为平坦的环境，在地面不平坦尤其是存在上下坡的环境下，激光雷达进行的距离测量可能存在误差，从而影响导航的准确性，不能够精准规划路径。移动机器人在地面较为平坦的环境执行反射式模式，在地面不平坦的环境下执行反应式模式，减少由于雷达导航的不准确造成的误差。
32.例如，参照图2，地图上一共设置有两个控制模式切换点，分别记为p1和p2，p1以及其邻域的范围形成区域a，p2以及其邻域的范围形成区域b，地图上除区域a以及区域b的其他部分被记为区域c。l为移动机器人的移动轨迹，移动机器人从区域c出发，先执行反应式模式，由区域c进入区域a时，工作模式由反应式模式切换为反射式模式，再由区域a进入区域b时，仍然执行反射式模式，再由区域b进入区域c，执行反应式模式。
33.本实施例通过在地图上设置控制模式切换点，划分了移动机器人执行反应式模式和执行反射式模式的区域。控制模式切换点可以根据地图环境中障碍物的数量设置的，使得移动机器人能够在障碍物较少的环境执行反应式模式，在障碍物较多的环境执行反射式模式，使得移动机器人能够同时适应于多种工作环境，同时兼具反应速度快和导航控制效果的优点。
34.本发明通过在地图模型上设置控制模式切换点以控制移动机器人执行反应式模式/反射式模式，工作时，根据移动机器人的位置是否在控制模式切换点的预设范围控制移动机器人执行反应式模式/反射式模式。其中，移动机器人执行反应式模式时，基于原有的地图模型获取障碍点，移动机器人根据自身与障碍点之间的距离调节位姿以避障；移动机器人执行反射式模式时，移动机器人重新获取环境特征，并更新地图模型，移动机器人基于更新后的地图模型获取障碍点和实现自我定位，并根据获取的障碍点和自我定位点规划运动轨迹，并按照规划的运动轨迹运动。控制模式切换点可以根据地图环境中障碍物的数量设置的，使得移动机器人能够在障碍物较少的环境执行反应式模式，在障碍物较多的环境执行反射式模式，使得移动机器人能够同时适应于多种工作环境，同时兼具反应速度快和导航控制效果的优点。
35.在一实施例中，所述根据所述移动机器人的位置与所述第一障碍标定点的位置之间的距离调节所述移动机器人的运动参数具体包括以下步骤：在所述移动机器人的位置与所述第一障碍标定点的位置之间的距离小于第一预设距离时，控制所述移动机器人停止运行。
36.在本实施例中，反应式模式包括“感知-执行”的步骤，移动机器人制导不够精准，
在移动机器人与障碍标定点的距离过小时，继续执行反应式模式可能会存在移动机器人与障碍标定点接触的风险。
37.为了更加精确地控制移动机器人避障，可以针对移动机器人设置一个安全距离，在执行反应式模式的过程中，感知到移动机器人与障碍标定点的距离小于这个安全距离时，切换执行反射式模式，提升移动机器人控制的准确性，避免移动机器人与障碍标定点接触的风险。
38.在一实施例中，所述根据所述移动机器人的位置与所述第一障碍标定点的位置之间的距离调节所述移动机器人的运动参数具体包括以下步骤：在所述移动机器人的位置与所述第一障碍标定点的位置之间的距小于第二预设距离时，将所述移动机器人的速度调小。
39.在本实施例中，移动机器人在移动时存在惯性，若在移动机器人与障碍标定点的距离过小时，移动机器人的惯性过大，无法及时地控制移动机器人停止运动或者改变运动轨迹，可能会存在移动机器人与障碍标定点接触的风险。
40.为了更加精确地控制移动机器人避障，可以针对移动机器人设置一个安全距离，在感知到移动机器人与障碍标定点的距离小于这个安全距离时，适当降低移动机器人的速度，使得移动机器人的惯性变小，使得移动机器人的运动方向便于调整，避免由于移动机器人惯性过大而与障碍标定点接触的风险。
41.在一实施例中，所述移动机器人运行环境中预设车道线，所述反应式模式还包括以下步骤：根据所述移动机器人当前运行环境，获取与所述当前运行环境匹配的预设车道线；控制所述移动机器人根据预设车道线的指示信息运动。
42.在本实施例中，移动机器人的反应式模式包括“感知-执行”的步骤，移动的过程不需要通过地图模型规划路径，而是通过感知环境特征中的指示信息，根据环境特征中的指示信息运动。预设车道线预设设置好移动机器人运动的轨迹，移动机器人在感知到预设车道线的指示信息时，根据预设的运动轨迹运动。
43.在一实施例中，所述步骤s40还包括以下步骤：基于所述第二地图模型，设置终止节点，并将所述移动机器人的位置设置为起点节点；判断所述起点节点与所述终止节点之间是否存在障碍点；在所述起点节点与所述终止节点之间不存在障碍点时，将所述起点节点与所述终止节点连线以形成所述移动机器人的运动路径；在所述起点节点与所述终止节点之间存在障碍点时，以所述起点节点为搜索中心并且以八邻域的方式查找中间节点，使得所述中间节点与所述起点节点之间可直达且与所述终止节点之间可直达，将所述起点节点、所述中间节点以及所述终止节点依次连线以形成所述移动机器人的运动路径。
44.在本实施例中，移动机器人的运动轨迹包括一个或多个线段，每个线段的两端点之间不存在障碍点，是可直达的，即移动机器人能够在这两个端点之间直线运动，移动机器人每次规划一个线段的路径，就需要找到与当前位置对应的可直达节点。
45.起点节点与终止节点之间可直达时，由于两点之间连接线段最短，直接以起点节点与终止节点之间连接线段为规划路径。起点节点与终止节点之间不可直达时，可以通过设置一个或者多个中间节点，通过连接多个线段以规划移动机器人的路径，在起点节点、中间节点以及终止节点中，每两个相邻的节点之间可直达，可以采用八邻域的方式查找中间节点，通常采用a
✳
算法规划路径。
46.在一实施例中，以所述起点节点为搜索中心并且以八邻域的方式查找中间节点具体包括以下步骤：以所述起点节点为搜索中心，以所述搜索中心的邻域向无障碍标定点的区域查找所述中间节点；判断所述中间节点与所述终止节点之间是否存在障碍点；在所述中间节点与所述终止节点之间不存在障碍点时，将所述起点节点、所述中间节点以及所述终止节点依次连线以形成所述移动机器人的运动路径；在所述中间节点与所述终止节点之间存在障碍点时，将所述中间节点更新为所述搜索中心，重复查找所述中间节点的步骤，直至所述中间节点与所述终止节点之间不存在障碍点。
47.在本实施例中，可以在八邻域搜索节点的过程中对搜索条件进行约束，使得选择出的所有的中间节点的连线的延伸拓展方向不返回移动机器人的当前位置节点或所述障碍标定点，避免又搜索回已遍历路径，降低移动机器人的工作效率。需要说明的是，起始节点、障碍标定点、这些中间节点及其对应的路径代价数值在搜索遍历后，按照遍历顺序保存在表的存储空间中，以便后续搜索过程中进行栅格位置及代价数值大小比较。从而保留下移动机器人的必要行走路径。
48.在一实施例中，判断两点之间是否存在障碍点具体包括以下步骤：将两点相连形成路径线段；在任意一个所述第二障碍标定点与路径线段之间的距离小于第一预设距离时，两点之间不存在障碍点，在所有所述第二障碍标定点与路径线段之间的距离大于或等于第一预设距离时，两点之间存在障碍点。
49.在本实施例中，移动机器人运动的路径与第二障碍标定点之间设置有安全距离，避免移动机器人在运动中离第二障碍标定点过近，可能会产生与第二障碍标定点接触的风险。
50.在一实施例中，所述第一地图模型及所述第二地图模型具体为以全局栅格地图环境所建立的地图模型。
51.在本实施例中，移动机器人基于全局栅格地图环境建模，全局栅格地图容易构建表示和保存，针对移动机器人的控制效果好。而且全局栅格地图定位的位置唯一，能够精确实现对移动机器人的定位。
52.本发明提出一种控制器。
53.该控制器包括存储器、处理器，所述存储器上存储有一种基于激光雷达的移动机器人的控制程序，所述基于激光雷达的移动机器人的控制程序被所述处理器执行时实现如上所述的基于激光雷达的移动机器人控制方法的步骤，由于该控制器采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不
再一一赘述。
54.本发明提出一种移动机器人。
55.该移动机器人装配有如上所述的控制器，所述移动机器人用于根据所述控制器输出的控制指令工作。由于该移动机器人采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
56.以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术邻域均包括在本发明的专利保护范围内。