本發(fā)明屬于智能機(jī)器人環(huán)境探索相關(guān)，更具體地，涉及一種未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人自主環(huán)境探索方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化、服務(wù)業(yè)、軍事以及科研探索等多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵力量，被廣泛應(yīng)用于災(zāi)區(qū)搜救、園區(qū)巡檢、地質(zhì)勘探、環(huán)境重建等任務(wù)中。在執(zhí)行這些任務(wù)時(shí)，機(jī)器人自主環(huán)境探索技術(shù)占據(jù)著舉足輕重的地位，它不僅能夠減輕人力負(fù)擔(dān)，提高任務(wù)執(zhí)行效率和安全性，更為重要的是，它還能代替人類在極端或危險(xiǎn)環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。

2、機(jī)器人未知環(huán)境自主探索技術(shù)包含有機(jī)器人在未知環(huán)境中的探索建圖、探索目標(biāo)點(diǎn)選取、目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃與導(dǎo)航技術(shù)，更復(fù)雜的，還包括位置環(huán)境下機(jī)器人的動(dòng)態(tài)避障等。現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人自主探索未知環(huán)境的策略主要包括：基于邊界思想的環(huán)境探索方法、基于采樣的環(huán)境探索方法及基于圖搜索的環(huán)境探索方法。近年來(lái)，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)也被應(yīng)用于機(jī)器人未知環(huán)境自主探索領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的移動(dòng)機(jī)器人未知環(huán)境自主探索方法在探索大規(guī)模復(fù)雜未知環(huán)境時(shí)，存在重復(fù)探索、易陷入局部最優(yōu)、環(huán)境探索不完整等問(wèn)題，在環(huán)境探索效率和覆蓋率方面仍有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人自主環(huán)境探索方法及系統(tǒng)，其旨在解決現(xiàn)有的機(jī)器人未知環(huán)境探索的效率及覆蓋率較低的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人自主環(huán)境探索方法，該方法包括以下步驟：

3、(1)基于機(jī)器人當(dāng)前位置和對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，更新全局真實(shí)地圖、全局探索地圖和障礙遮擋地圖；其中，障礙遮擋地圖是在探索地圖的基礎(chǔ)上額外添加了用于表示受障礙物遮擋的不可知區(qū)域的地圖；

4、(2)獲取機(jī)器人當(dāng)前所在位置附近的局部探索地圖，并使用當(dāng)前的傳感器數(shù)據(jù)在該局部探索地圖上標(biāo)記出當(dāng)前的障礙遮擋區(qū)域，再判斷更新了障礙遮擋區(qū)域的局部探索地圖中未探索區(qū)域的所占比例是否小于設(shè)定閾值，若是，則認(rèn)為機(jī)器人當(dāng)前所在位置的附近區(qū)域探索完畢，轉(zhuǎn)至步驟(5)；否則認(rèn)為機(jī)器人當(dāng)前所在位置的附近區(qū)域仍存在未探索的部分，轉(zhuǎn)至步驟(3)；

5、(3)根據(jù)得到的局部探索地圖中未探索區(qū)域的分布情況來(lái)確定機(jī)器人的下一步動(dòng)作；

6、(4)機(jī)器人執(zhí)行下一步動(dòng)作以移動(dòng)到新位置，獲取新的傳感器數(shù)據(jù)并用于更新三種地圖；同時(shí)，將機(jī)器人的新位置同步記錄至當(dāng)前軌跡列表中，并轉(zhuǎn)至步驟(2)；

7、(5)從機(jī)器人當(dāng)前位置開(kāi)始反向遍歷當(dāng)前軌跡的歷史位置，即逆向回溯，且在每一步遍歷中，判斷該步所對(duì)應(yīng)的歷史位置是否為機(jī)器人當(dāng)前軌跡的第一個(gè)點(diǎn)，若是，轉(zhuǎn)至步驟(8)；否則，轉(zhuǎn)至步驟(6)；

8、(6)獲取當(dāng)前步所對(duì)應(yīng)的歷史位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的局部遮擋地圖，并判斷獲得的局部遮擋地圖是否有探索價(jià)值，若有探索價(jià)值，則該歷史位置點(diǎn)為本次回溯過(guò)程的回溯點(diǎn)，并轉(zhuǎn)至步驟(7)，若沒(méi)有探索價(jià)值，則轉(zhuǎn)至步驟(5)；

9、(7)機(jī)器人移動(dòng)到該回溯點(diǎn)，并以該回溯點(diǎn)為起點(diǎn)來(lái)生成一條新軌跡；同時(shí)，更新機(jī)器人的當(dāng)前軌跡為該新軌跡，并將該新軌跡記錄至軌跡列表，轉(zhuǎn)至步驟(1)；

10、(8)判斷當(dāng)前所在軌跡是否為軌跡列表中的第一條；若不是，則將回溯過(guò)程從當(dāng)前軌跡切換至當(dāng)前軌跡的父軌跡，并從兩條軌跡的交界處開(kāi)始繼續(xù)延父軌跡的逆向進(jìn)行回溯，繼續(xù)執(zhí)行步驟(5)；若是，則全局環(huán)境探索完成。

11、進(jìn)一步地，全局探索地圖是指用于探索的整個(gè)場(chǎng)景的環(huán)境地圖，機(jī)器人在環(huán)境探索過(guò)程中不斷更新全局探索地圖，并利用新的探索地圖進(jìn)行下一步探索；全局探索地圖更新方法如下：假設(shè)機(jī)器人傳感器的實(shí)際感知范圍為l，現(xiàn)取一個(gè)小于l的值l0作為機(jī)器人的探索范圍；若機(jī)器人未探測(cè)到障礙物，則將機(jī)器人到l–l0之間的空間標(biāo)記為已探索，若探測(cè)到障礙物，則將障礙物所在位置更新為障礙，將機(jī)器人到障礙之間的空間依舊更新為已探索。

12、進(jìn)一步地局部探索地圖是指以機(jī)器人所在位置為中心，在全局探索地圖上截取的一塊探索地圖；在取得該局部探索地圖之后，在該局部探索地圖中添加障礙物遮擋區(qū)域，在添加障礙物遮擋信息后，該局部探索地圖就由已探索區(qū)域、未探索區(qū)域和障礙遮擋區(qū)域組成；通過(guò)計(jì)算局部探索地圖中未探索區(qū)域占整個(gè)局部探索地圖的比例來(lái)判定機(jī)器人當(dāng)前所處的局部區(qū)域內(nèi)是否還有進(jìn)一步探索的價(jià)值，若該比例小于提前設(shè)定的閾值，則認(rèn)定該局部區(qū)域已經(jīng)沒(méi)有繼續(xù)探索的價(jià)值了，繼續(xù)執(zhí)行步驟(5)；否則，認(rèn)為該局部區(qū)域還存在繼續(xù)探索的價(jià)值，則跳轉(zhuǎn)至步驟(3)以重復(fù)執(zhí)行這種局部探索行為。

13、進(jìn)一步地通過(guò)計(jì)算局部探索地圖中未探索區(qū)域的幾何中心來(lái)確定機(jī)器人的下一步動(dòng)作。

14、進(jìn)一步地局部探索地圖為二維柵格占據(jù)地圖時(shí)，未探索區(qū)域幾何中心的計(jì)算公式為：

15、

16、

17、其中，xi，yi分別表示未探索區(qū)域?qū)?yīng)的每一個(gè)柵格在局部探索地圖中的行坐標(biāo)和列坐標(biāo)，t表示未探索區(qū)域?qū)?yīng)的所有柵格的個(gè)數(shù)；

18、根據(jù)計(jì)算出的未探索區(qū)域的幾何中心與機(jī)器人當(dāng)前所在點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系確定機(jī)器人下一步應(yīng)該前往的位置。

19、進(jìn)一步地對(duì)于每一步回溯，獲取當(dāng)前步所對(duì)應(yīng)的歷史位置點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的局部遮擋地圖，并根據(jù)得到的局部遮擋地圖中未探索區(qū)域所占的比例大小來(lái)判斷其是否有探索價(jià)值。

20、進(jìn)一步地若該歷史位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的局部遮擋地圖中未探索區(qū)域的占比大于設(shè)定的閾值，則認(rèn)為當(dāng)前局部遮擋地圖有探索價(jià)值，機(jī)器人需要從該歷史位置點(diǎn)出發(fā)開(kāi)啟一次新的局部探索，該歷史位置點(diǎn)稱為回溯點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行步驟(8)；若該歷史位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)局部探索地圖中未探索區(qū)域的占比小于或等于設(shè)定的閾值，則認(rèn)為其沒(méi)有探索價(jià)值，轉(zhuǎn)至步驟(5)繼續(xù)回溯。

21、進(jìn)一步地步驟(3)中，通過(guò)添加常數(shù)因子來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人每一步的位移大小。

22、本發(fā)明還提供了一種未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人自主環(huán)境探索系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器儲(chǔ)存有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行如上所述的未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人自主環(huán)境探索方法。

23、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有機(jī)器可執(zhí)行指令，所述機(jī)器可執(zhí)行指令在被處理器調(diào)用和執(zhí)行時(shí)，所述機(jī)器可執(zhí)行指令促使所述處理器實(shí)現(xiàn)如上所述的未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人自主環(huán)境探索方法。

24、總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人自主環(huán)境探索方法及系統(tǒng)主要具有以下有益效果：

25、1.通過(guò)逆向回溯軌跡生成新生成軌跡的過(guò)程具有明確可描述的邏輯順序，不存在隨機(jī)采樣過(guò)程或者其他隨機(jī)因素，因而減少了機(jī)器人在環(huán)境探索過(guò)程中的盲目性，減少了因隨機(jī)因素而導(dǎo)致的重復(fù)探索和冗余路徑，進(jìn)而提高了未知環(huán)境下機(jī)器人自主環(huán)境探索效率和探索覆蓋率。

26、2.在局部環(huán)境探索過(guò)程中引入障礙遮擋地圖的概念，通過(guò)將機(jī)器人傳感器感知范圍內(nèi)被障礙物遮擋而無(wú)法準(zhǔn)確感知的區(qū)域設(shè)置為障礙遮擋區(qū)域，此方式減少了由于障礙物對(duì)機(jī)器人傳感器遮擋而造成的不可知因素所引發(fā)的各種邏輯誤判，增強(qiáng)了環(huán)境探索過(guò)程的準(zhǔn)確性和對(duì)復(fù)雜未知環(huán)境的適應(yīng)性。

27、3.通過(guò)以軌跡及其對(duì)應(yīng)的遮擋地圖為工具來(lái)記錄機(jī)器人的行進(jìn)過(guò)程及控制機(jī)器人的回溯過(guò)程，使得機(jī)器人無(wú)需自身移動(dòng)就可以快速高效找到新的有價(jià)值的回溯點(diǎn)，之后才會(huì)前往該點(diǎn)并開(kāi)啟新的局部探索，如此措施可以減少機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)的路程長(zhǎng)度，提高未知環(huán)境下的探索作業(yè)效率。

28、4.通過(guò)逆向回溯軌跡生成新的探索軌跡分支，直至整個(gè)環(huán)境被完全探索，這種逆向思維在原理層面上不同于現(xiàn)有方法的一般思路，對(duì)于無(wú)法提前進(jìn)行全局探索規(guī)劃的未知環(huán)境探索任務(wù)均有良好的適應(yīng)性。