技術(shù)特征：

1.一種基于形式化描述的地面自主移動(dòng)機(jī)器人安全導(dǎo)航方法，其特征在于，包含以下步驟：

步驟1：對(duì)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行抽象建模，并且對(duì)其需要滿足的安全性質(zhì)進(jìn)行形式化規(guī)約；

步驟2：采用形式化語(yǔ)言描述機(jī)器人安全導(dǎo)航算法；

步驟3：建立機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)遷移模型，通過(guò)形式化解算判定任意時(shí)刻滿足安全性質(zhì)的控制輸入，并對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和更新。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于形式化描述的機(jī)器人自主安全導(dǎo)航方法，其特征在于，所述步驟1的過(guò)程如下：

1)抽象機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為分段直線，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模型為：

$M_r=\[{\stackrel{\→}{p}}_r,{\stackrel{\→}{v}}_r,{\stackrel{\→}{a}}_r,t\]$

式中表示機(jī)器人在二維平面中的位置，和分別表示在x，y方向上的分量；

式中表示機(jī)器人在二維平面中的速度，v_r表示速度的模，和分別表示速度方向向量在x，y方向上的分量；

式中a_r表示機(jī)器人在二維平面中的加速度，加速度與速度具有相同的方向；

t表示運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

2)采用建模語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)中物體的離散控制行為和連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行形式化描述：包括機(jī)器人的離散控制行為ctrl_o和環(huán)境中障礙物的離散控制行為ctrl_r，以及系統(tǒng)中所有運(yùn)動(dòng)物體的連續(xù)運(yùn)動(dòng)演化dyn；

3)首先根據(jù)全向移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，對(duì)模型中的離散控制輸入?yún)?shù)進(jìn)行限定：a_r∈[-B,A],v_r∈[0,V]，根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)的最大制動(dòng)能力定義加速度下限B；根據(jù)最大加速能力定義加速度上限A；根據(jù)最大速度限制定義速度上限V，再根據(jù)被動(dòng)友好(Passive Friendly Safety)安全性質(zhì)定義導(dǎo)航系統(tǒng)的安全限制條件，避免機(jī)器人和障礙物發(fā)生碰撞：

其中φ為需要滿足的安全條件；為障礙物的當(dāng)前位置；為障礙物到機(jī)器人的距離；為機(jī)器人從當(dāng)前狀態(tài)到下一次控制單元發(fā)送制動(dòng)指令前的運(yùn)行距離，其中ε為從機(jī)器人控制單元發(fā)送指令到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)始執(zhí)行的間隔時(shí)間；為控制單元發(fā)送制動(dòng)指令到機(jī)器人到達(dá)靜止?fàn)顟B(tài)，機(jī)器人運(yùn)行的距離；為障礙物從原速運(yùn)動(dòng)到發(fā)現(xiàn)機(jī)器人后減速至靜止期間運(yùn)行的距離，其中v_o為工作環(huán)境中障礙物的最大運(yùn)動(dòng)速度，B_o為障礙物的制動(dòng)能力，τ為障礙物的最長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間；分別為機(jī)器人和障礙物的運(yùn)動(dòng)位移在兩者位移差向量上的投影。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于形式化描述的機(jī)器人自主安全導(dǎo)航方法，其特征在于，所述步驟2的過(guò)程如下：

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束和安全限制條件過(guò)濾掉不符合要求的控制輸入，建立當(dāng)前時(shí)刻的窗口W_t，從W_t按需選取控制輸入?yún)?shù)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，運(yùn)行至下一時(shí)刻，迭代更新動(dòng)態(tài)窗口W_t+1，重復(fù)上述的算法。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于形式化描述的機(jī)器人自主安全導(dǎo)航方法，其特征在于，所述步驟3的過(guò)程如下：

建立機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)遷移圖，狀態(tài)機(jī)遷移圖中的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)的不同運(yùn)動(dòng)模式，并為每個(gè)節(jié)點(diǎn)添加相應(yīng)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)則，定義狀態(tài)機(jī)模型為多元組H＝(X,Σ,S,E,S⁰，α,β,γ)；

X是導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)數(shù)變量的有限集合，X中變量的個(gè)數(shù)為狀態(tài)機(jī)模型的維數(shù)；

Σ是控制命令的有限集合，S是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的有限集合；

E是轉(zhuǎn)化關(guān)系的集合，E中的元素e具有形式其中，s，s'是S中的元素；σ∈∑是轉(zhuǎn)換上的事件名；是一個(gè)將E中的轉(zhuǎn)換e標(biāo)注為一組約束的標(biāo)注函數(shù)，表示當(dāng)系統(tǒng)行為觸發(fā)轉(zhuǎn)換e時(shí)，相應(yīng)變量的取值滿足此約束；ψ是形為a_r:＝A的重置動(dòng)作集合，表示當(dāng)系統(tǒng)行為觸發(fā)此轉(zhuǎn)換后，相應(yīng)變量a_r的取值會(huì)被重置為A；

是系統(tǒng)初始狀態(tài)的集合。

α是一個(gè)標(biāo)注函數(shù)它將每個(gè)位置映射到一個(gè)節(jié)點(diǎn)不變式，表示系統(tǒng)行為停留在相關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)變量取值滿足此約束。

β是一個(gè)為S中每個(gè)位置節(jié)點(diǎn)添加流條件(微分方程)的標(biāo)注函數(shù)，表示當(dāng)系統(tǒng)行為停留在相關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)變量取值變化隨著時(shí)間增長(zhǎng)滿足此條件；

γ是一個(gè)標(biāo)注函數(shù)，將初始位置S^o中每個(gè)狀態(tài)映射到一組初始條件，初始條件具有形式對(duì)任意狀態(tài)s∈S^o，有且僅有一組滿足條件；

根據(jù)狀態(tài)機(jī)模型，利用差分動(dòng)態(tài)邏輯dL(Differential Dynamic Logic)對(duì)系統(tǒng)控制輸入進(jìn)行推演，驗(yàn)證從初始狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過(guò)導(dǎo)航算法計(jì)算出的所有變遷序列，始終滿足被動(dòng)友好安全性質(zhì)：