一種基于距離矢量的機器人自主避障移動控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于距離矢量的機器人自主避障移動控制方法。環(huán)境內(nèi)移動機器人移動過程中通過自身攜帶的測距傳感器、角度傳感器測得機器人到障礙物的距離矢量，對附近存在多障礙物的未知環(huán)境，始終以機器人當前位置為原點建立坐標系，通過測量機器人到障礙物邊緣的距離矢量，得到避碰障礙物的轉(zhuǎn)向角，得到大于機器人自身徑向尺寸的兩相鄰障礙物間距離矢量，獲取能同時避碰兩相鄰障礙物的機器人當前位置到兩相鄰障礙物間距離矢量中點構(gòu)成的距離矢量，作為機器人的移動方向和通過兩障礙物的移動路徑，實現(xiàn)最大限度安全避障，及從起始點到目標點的自主避障移動。本控制模型考慮移動機器人和環(huán)境障礙物實際徑向尺寸，具有實際應用意義。
【專利說明】一種基于距離矢量的機器人自主避障移動控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于距離矢量的機器人自主避障移動控制方法，屬于移動機器人 控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 機器人代替人類的勞動在各領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，機器人技術(shù)得到了廣泛的 研宄和發(fā)展。移動機器人路徑規(guī)劃或?qū)Ш礁鶕?jù)機器人對工作環(huán)境場所的認知可分為已知環(huán) 境的路徑規(guī)劃和未知環(huán)境的路徑規(guī)劃。已知環(huán)境的路徑規(guī)劃是機器人已知道環(huán)境內(nèi)是否存 在障礙物和障礙物的位置情況下，規(guī)劃出一條從起始點到目標點路徑，屬于靜態(tài)全局導航， 算法模型已比較成熟也相對簡單。未知環(huán)境內(nèi)機器人路徑規(guī)劃是機器人對環(huán)境內(nèi)是否存在 障礙物及障礙物位置沒有先驗知識，機器人移動主要依靠環(huán)境傳感器探測其探測區(qū)域內(nèi)環(huán) 境信息，規(guī)劃出局部路徑。未知環(huán)境內(nèi)機器人路徑規(guī)劃實現(xiàn)自主避障移動控制是機器人控 制的難點，自主避障移動控制的研宄多局限于理論建模研宄，如預測滾動窗口算法、使用距 離代價函數(shù)確定機器人的子目標點，在障礙物分布比較復雜的環(huán)境中，機器人始終朝著離 終點距離最小的障礙物邊界方向行走，易發(fā)生死鎖和振蕩現(xiàn)象，其他有基于粒子群算法、模 糊邏輯、模糊聚類網(wǎng)、神經(jīng)網(wǎng)絡等算法，但此類算法存在路徑死鎖或解算時間長缺點。另外 對存在動態(tài)障礙物的未知環(huán)境還沒有實時控制方法。現(xiàn)有未知環(huán)境內(nèi)機器人路徑規(guī)劃模型 的研宄多是將移動機器人和環(huán)境中的障礙物視為點進行控制建模，沒有考慮移動機器人和 環(huán)境障礙物的實際尺寸因而缺乏實際應用性。因此，有必要研宄考慮機器人和環(huán)境障礙物 實際尺寸的有效的路徑規(guī)劃控制模型，使機器人實現(xiàn)未知環(huán)境內(nèi)從起始點到目標點的自主 避障移動控制或環(huán)境漫游。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明公開了一種基于距離矢量的移動機器人自主避障移動控制方法，由計算機 和移動機器人組成。始終以機器人當前位置為原點建立坐標系，通過測量機器人到障礙物 邊緣的距離矢量，獲得避碰障礙物的轉(zhuǎn)向角，計算得到大于機器人自身徑向尺寸且距離矢 量，獲取機器人沿該矢量移動過程中同時避碰兩相鄰障礙物的機器人當前位置到兩相鄰障 礙物間距離矢量中點構(gòu)成的距離矢量，作為機器人移動方向和通過兩障礙物的移動路徑， 同時避碰兩相鄰障礙物，實現(xiàn)最大限度安全避障，完成從起始點到目標點的自主避障移動。 本發(fā)明控制方法計算簡單，有效實用，克服了現(xiàn)有控制算法模型復雜且不考慮機器人和障 礙物實際尺寸的缺點，本發(fā)明尤其適用于多障礙物、狹小環(huán)境空間或有動態(tài)障礙物的環(huán)境 內(nèi)移動避障控制。
[0004] 本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
[0005] 一種基于距離矢量的機器人自主避障移動控制方法，由計算機控制移動機器人實 現(xiàn)；計算機通過通信接口與移動機器人串接，實現(xiàn)近程或遠程、有線或無線通信控制；移動 機器人包括機器人控制機構(gòu)、機器人本體移動機構(gòu)和機器人自身攜帶的測距傳感器、角度 測量傳感器；測距傳感器用于測出機器人與障礙物之間的距離，角度測量傳感器用于測出 機器人到障礙物的距離矢量的方向。
[0006] 控制方法：移動機器人控制系統(tǒng)首先控制測距傳感器、旋轉(zhuǎn)角度傳感器，測量機 器人到附近最近兩相鄰障礙物的距離矢量，計算兩相鄰矢量之間的夾角和兩相鄰障礙物之 間的有效空間距離矢量，獲得大于移動機器人自身尺寸的兩相鄰障礙物之間的有效空間距 離矢量，然后獲取機器人沿該矢量移動過程中同時避碰兩相鄰障礙物的機器人當前位置到 兩相鄰障礙物之間的有效空間距離中點的矢量，作為機器人移動的方向和移動路徑，最后 控制機器人本體移動機構(gòu)沿得到路徑矢量方向移動，到達通過兩障礙物之間有效空間距離 的中點，再繼續(xù)按同樣的方式獲得下一步移動方向和移動路徑。
[0007] 具體控制方法如下：
[0008] A)移動機器人以移動機器人當前位置為原點建立坐標系，以當前位置到目標點形 成的矢量為移動的大方向，控制自身攜帶的測距傳感器探測當前移動方向探測區(qū)域內(nèi)的障 礙物信息；如前方探測區(qū)域內(nèi)沒有障礙物反饋信息，則認為障礙物無限遠，按當前方向在安 全區(qū)域內(nèi)移動；
[0009] B)有障礙物Ai的反饋信息，則順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)測量移動機器人到障礙物邊緣 的距離矢量式，根據(jù)無計算機器人避碰障礙物的A i的最小轉(zhuǎn)向角度見，并按同一方向繼續(xù) 旋轉(zhuǎn)探測區(qū)域內(nèi)下一個最近相鄰障礙物信息；若探測區(qū)域內(nèi)沒有相鄰障礙物，則機器人進 行轉(zhuǎn)向移動，避碰障礙物A i的最小轉(zhuǎn)向角度為是，按轉(zhuǎn)動后的方向移動距離51后，按步驟 A)方式繼續(xù)；
[0010] C)若探測區(qū)域內(nèi)有相鄰障礙物Aj(i辛j)，則同理測出該障礙物最近相鄰障礙物 邊緣的距離矢量&，計算機器人避碰相鄰障礙物A j的最小轉(zhuǎn)向角Θ』，計算兩相鄰障礙物 A、之間有效空間距離矢量尤7。
[0011] ①若兩相鄰障礙物化、Aj之間的有效空間距離Rij小于移動機器人自身最大徑向 結(jié)構(gòu)尺寸，則機器人移動的大方向為基準，旋轉(zhuǎn)探測機器人到障礙物的邊緣矢量和下一個 相鄰障礙物信息；按步驟B)繼續(xù)；
[0012] ②若兩相鄰障礙物ApAj之間的有效空間距離Rij大于移動機器人自身最大徑向結(jié) 構(gòu)尺寸，則計算機器人當前位置到兩相鄰障礙物A,、A j之間的有效空間距離中點矢量式，， 計算&,與(^的夾角ai;式7與士的夾角Cij，若Ci iS Θ 1且αΘ」，則機器人能同時 避碰障礙物的化、Aj，則所得到的距離矢量丈7既為機器人前移的移動路徑矢量，機器人沿 該矢量方向移動該矢量的距離Sij后，到達兩相鄰障礙物之間的有效空間距離中點，順利通 過兩障礙物空間，然后按步驟A)，繼續(xù)探測下一個探測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境障礙物信息；反之，如 式i與及i的夾角ai、式,與之的夾角aj有小于避碰障礙物對應最小轉(zhuǎn)向角θ i、叫的，所 得到的距離矢量式7不能作為機器人前移的移動路徑矢量；則機器人以移動的目標方向為 基準，旋轉(zhuǎn)探測機器人到障礙物的邊緣矢量和下一個相鄰障礙物信息；按步驟B)繼續(xù)；
[0013] 以此類推，以機器人當前位置到兩相鄰障礙物之間的有效空間距離中點的矢量作 為移動方向和移動路徑，使移動機器人穿行在眾多障礙物之間行走，實現(xiàn)從起始點到目標 點的自主安全避障移動或未知環(huán)境內(nèi)自由自主避障安全移動。
[0014] 所述的機器人到附近最近兩相鄰障礙物的距離矢量分別為機器人到兩障礙物邊 界切線切點的距離矢量。
[0015] 步驟C)①中所述的兩相鄰障礙物化與A』之間的有效空間距離，是指障礙物A PAj 的邊緣最近相鄰距離，表示為Rij且：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于距離矢量的機器人自主避障移動控制方法，由計算機控制移動機器人實 現(xiàn)；計算機通過通信接口與移動機器人串接，實現(xiàn)近程或遠程、有線或無線通信控制；移動 機器人包括機器人控制單元、機器人本體移動機構(gòu)和機器人自身攜帶的測距傳感器、角度 測量傳感器；測距傳感器用于測出機器人與障礙物之間的距離，角度測量傳感器用于測出 機器人到障礙物距離矢量的方向?？刂品椒ㄆ涮卣髟谟冢菏冀K以機器人當前位置為原點建 立坐標系，通過測量機器人到障礙物邊緣的距離矢量，獲得避碰障礙物的轉(zhuǎn)向角，計算得到 大于機器人自身徑向尺寸且兩相鄰障礙物的距離矢量，并獲取機器人沿該矢量移動過程中 同時避碰兩相鄰障礙物的機器人當前位置到兩相鄰障礙物間距離矢量中點構(gòu)成的距離矢 量，作為機器人移動方向和通過兩障礙物的移動路徑，實現(xiàn)最大限度安全避障，完成從起始 點到目標點的自主避障移動；具體控制方法如下： A) 移動機器人以移動機器人當前位置為原點建立坐標系，以當前位置到指定目標點形 成的矢量為移動的大方向，控制自身攜帶的測距傳感器探測當前移動方向探測區(qū)域內(nèi)的障 礙物信息；如前方探測區(qū)域內(nèi)沒有障礙物反饋信息，則認為障礙物無限遠，按當前方向在安 全區(qū)域內(nèi)移動； B) 有障礙物Ai的反饋信息，則順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)測量移動機器人到障礙物邊緣的距 離矢量式.，根據(jù)瓦計算機器人避碰障礙物的Ai的最小轉(zhuǎn)向角度堯，并按同一方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 探測區(qū)域內(nèi)下一個最近相鄰障礙物信息；若探測區(qū)域內(nèi)沒有相鄰障礙物，則機器人進行轉(zhuǎn) 向移動，避碰障礙物Ai的最小轉(zhuǎn)向角度為是，按轉(zhuǎn)動后的方向移動距離51后，按步驟A)方 式繼續(xù)； C) 若探測區(qū)域內(nèi)有相鄰障礙物AjQ辛j)，則同理測出該障礙物最近相鄰障礙物邊緣 的距離矢量尤，計算機器人避碰相鄰障礙物Aj的最小轉(zhuǎn)向角Θ』，計算兩相鄰障礙物ApAj 之間有效空間距離矢量足7 ; ① 若兩相鄰障礙物化、Aj之間的有效空間距離Ru小于移動機器人自身最大徑向結(jié)構(gòu) 尺寸，則以機器人移動的大方向為基準，旋轉(zhuǎn)探測機器人到障礙物的邊緣矢量和下一個相 鄰障礙物信息；按步驟B)方式繼續(xù)； ② 若兩相鄰障礙物化、Aj之間的有效空間距離Ru大于移動機器人自身最大徑向結(jié)構(gòu) 尺寸，則計算機器人當前位置到兩相鄰障礙物化、間的有效空間距離中點的矢量式， 計算之與文的夾角α"靈7與之的夾角α』，若α>Θ占α$Θ』，則機器人能同時 避碰障礙物化、Aj，則所得到的距離矢量^,既為機器人前移的移動路徑矢量，機器人沿該 矢量方向移動該矢量的距離Sij后，到達兩相鄰障礙物之間的有效空間距離中點，順利通過 兩障礙物空間，然后按步驟A)方式繼續(xù)探測下一個探測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境障礙物信息；反之， 如式.,.與匕的夾角a。&與3,.I的夾角CXj有小于避碰障礙物對應最小轉(zhuǎn)向角ΘpQj的， 所得到的距離矢量式7不能作為機器人前移的移動路徑矢量；則機器人以移動的目標方向 為基準，旋轉(zhuǎn)探測機器人到障礙物的邊緣矢量和下一個相鄰障礙物信息；按步驟B)方式繼 續(xù)； 以此類推，以機器人當前位置到兩相鄰障礙物之間的有效空間距離中點的矢量作為移 動方向和移動路徑，使移動機器人穿行在眾多障礙物之間行走，實現(xiàn)從起始點到目標點的 自主安全避障移動或未知環(huán)境內(nèi)自由自主避障安全移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于距離矢量的機器人自主避障移動控制方法，其特征在 于：所述的機器人到附近最近兩相鄰障礙物的距離矢量分別為機器人到兩障礙物邊界切線 切點的距離矢量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于距離矢量的機器人自主避障移動控制方法，其特征在 于：步驟C)①中所述的兩相鄰障礙物Ai與?之間的有效空間距離，是指障礙物A勺邊 緣最近相鄰距離，表示為Ri,且：
式（1)中SpSj分別為機器人到兩相鄰障礙物的距離，Θu為距離矢量見、&之間的 夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于距離矢量的機器人自主避障移動控制方法，其特征在 于：，當機器人移動方向區(qū)域內(nèi)存在相鄰障礙物ApAj，機器人沿距離矢量式7的方向行進至 相鄰障礙物間有效空間距離矢量見，中點時，為使移動機器人能同時避碰兩障礙物化、Aj, 距離矢量見.,.與見和尤.之間夾角的為％和％應同時大于對應兩障礙物Ai^各自對應的 最小轉(zhuǎn)向角Θi，Θj，最小轉(zhuǎn)向角Θi、Θj與機器人到兩相鄰障礙物的距離矢量毛和毛.的關(guān) 系表不為：
式（2)中Γ(ι為未知環(huán)境內(nèi)移動機器人最大徑向結(jié)構(gòu)半徑。 當探測區(qū)域內(nèi)只有一個障礙物，或沒有下一個相鄰障礙物時，機器人將轉(zhuǎn)向移動，避碰 該障礙物的最小轉(zhuǎn)動角度為相應的最小轉(zhuǎn)向角。
【文檔編號】G05D1/02GK104460666SQ201410582435
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】于蓮芝, 滕輝, 陳亞林, 王星磊, 王煜民, 孫金 申請人:上海理工大學