本發(fā)明涉及人工智能、機器視覺、路徑規(guī)劃等技術(shù)概念，特別是機器人在陌生環(huán)境里如何選取可達路徑去移動的決策，本發(fā)明可以應(yīng)用于家庭或工業(yè)機器人、無人機及無人駕駛車的路徑規(guī)劃決策中。

背景技術(shù)：

隨著近些年工業(yè)機器人的發(fā)展，帶動了服務(wù)機器人行業(yè)的逐漸掘起，同時從2014年開始的智能硬件領(lǐng)域也開始突起，根據(jù)國際機器人聯(lián)盟的統(tǒng)計，2015年服務(wù)機器人銷售額將達85億美元，并且保持較高的20％～30％增長率，在智能硬件領(lǐng)域，據(jù)艾瑞研究，2014年全球智能硬件裝機量達到60億臺，預計2017年將超過140億臺。

在市場高速發(fā)展的背后，問題同樣明顯，一方面市場的潛力還遠未挖掘出來，另一方面，機器人及智能硬件進入服務(wù)行業(yè)也存在著一些技術(shù)難點。

物體的視覺識別方面，雖是一大難點，但也有些技術(shù)性嘗試往這方面攻關(guān)，例如專利《一種基于三維柵格地圖的物體整體識別方法》與《一種基于顏色特征的物體輔助識別方法》中，提到一類方法“如何從形狀的角度”、“顏色”、“材質(zhì)”等方面來對物體進行識別。這里我們要解決的是：在環(huán)境空間中如何做路徑規(guī)劃，為自主移動打下堅實基礎(chǔ)。

發(fā)明目的

本發(fā)明的主要目的就是解決機器在自主移動時，如何做路徑規(guī)劃，它提供一種方法，不僅能計算起止兩點的路徑可達性，還可計算并優(yōu)化起止兩點之間的路徑。

技術(shù)方案

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：通過相關(guān)設(shè)備及算法，例如激光雷達、CCD、CMOS、點云配準算法等，已經(jīng)獲取了實際環(huán)境中所有物體的柵格地圖信息，其路徑規(guī)劃包括以下步驟：

(1)通過物體的柵格信息，根據(jù)勢函數(shù)的公式，計算全部障礙物柵格對周圍空間的勢場影響，在環(huán)境勢函數(shù)建模時，考慮到計算的方便，我們設(shè)定一個影響距離σ，即障礙物柵格對周邊柵格的影響范圍，σ可以是但不限于歐氏距離、曼哈頓(Manhattan)距離等。

(2)在環(huán)境勢函數(shù)建模中，把每個空閑柵格的初始勢值初始化為0，然后逐個分析每個障礙物柵格對σ距離內(nèi)的所有柵格的勢值影響，例如，在t時刻坐標為(ξ_i,τ_i,ε_i)的障礙物柵格對空閑柵格(x,y,z)的影響勢：

G為一常數(shù)；

待逐個分析完每個障礙物柵格后，可得在t時刻柵格(x,y,z)的影響勢：

G同上為一常數(shù)；

(3)直連起止兩點，若中間無穿越障礙物柵格，則起止兩點可達且其之間的連線可做為初始路徑；若中間有穿越障礙物柵格，則在柵格兩側(cè)找到兩點A與B，沿等勢線或勢線梯度或其組合，若兩點A與B可以匯合，則起止兩點可達且相應(yīng)得到初始路徑；否則起止兩點不可達，既不存在一條有效路徑連接起止兩點；(4)若對路徑有長短、安全、平滑性要求，則可以通過把初始路徑同倫變換，求取出滿足既定要求的目標路徑，具體做法是，首先計算出路徑最短的同倫邊折路徑，其次是，根據(jù)微分幾何測地線理論，再同倫地計算出安全、平滑的同倫測地路徑，這里的平滑不是指數(shù)學意義上的嚴格光滑，而是指離散情況下最大程度上接近光滑且起伏最小。

本發(fā)明所使用的系統(tǒng)組成如下：勢場建模系統(tǒng)、可達性檢測系統(tǒng)、目標路徑優(yōu)化系統(tǒng)。這三個系統(tǒng)是按照功能設(shè)置的軟件系統(tǒng)，各子系統(tǒng)具體功能如下：

*勢場建模系統(tǒng)：在已建模后的柵格地圖上，計算所有障礙物柵格的空間勢場分布，

*可達性檢測系統(tǒng)：計算起止兩點的可達性，在可達的情況下輸出起止兩點的初始路徑，

*目標路徑優(yōu)化系統(tǒng)：在初始路徑的基礎(chǔ)上，計算滿足既定要求的同倫測地路徑。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明方法所用系統(tǒng)組成圖

圖2是環(huán)境的柵格示例圖

圖3是環(huán)境的勢場分布圖

圖4是環(huán)境中起止兩點的同倫路徑圖

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，說明本發(fā)明的實施方式。

本發(fā)明方法所用的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可參考附圖1，它有三個子系統(tǒng)組成，具體包含如下步驟：

第一步

在勢場建模系統(tǒng)中，已知環(huán)境的柵格地圖，如附圖2所示，對所有的障礙物柵格逐個分析其對周圍勢場的影響，勢場建模系統(tǒng)輸出是帶有勢場分布的柵格地圖，如附圖3所示。

第二步

在可達性檢測系統(tǒng)中，給定起止兩點，輸出連接起止兩點的初始路徑，步驟如下：

給定起止兩點S與T，直連起止兩點，如附圖4中的短劃直線段SOT，點O為障礙物柵格，沿此短劃直線段在點O兩側(cè)選取兩點A與B，根據(jù)A與B的勢值，沿勢線或沿勢線的梯度或其組合找到一條連通線路，如附圖4點劃線所示，最終可以計算出一條初始路徑；否則，起止兩點S與T不可達；

第三步

初始路徑存在意味著起止兩點可達且可做為起止兩點的一條路徑，一般來講，初始路徑不是較理想的，考慮到路徑越短越好、越安全越好、越平滑越好等等，我們可以優(yōu)化初始路徑。

首先，在目標路徑優(yōu)化系統(tǒng)中，根據(jù)可達性檢測系統(tǒng)的輸出既初始路徑，計算同倫邊折路徑，本質(zhì)上把初始路徑張緊后，其折點的有序集合便是同倫邊折路徑，如附圖4所示，初始路徑張緊后得虛線所示的同倫邊折路徑{S,M,N,T}，我們可以但不局限于采用如下方法計算：以S為起點，以初始路徑上的內(nèi)點為終點，直連這兩點形成軌道，隨著終點在初始路徑上的移動，當軌道經(jīng)過障礙物柵格時，選取離終點最近的障礙物柵格為同倫邊折路徑上的折點，如附圖4所示，首先找到M點，隨后找到N點，最終得同倫邊折路徑{S,M,N,T}；

其次，令當前所在位置點X的坐標為(x,y,z)，設(shè)置X初始與起點S重合，設(shè)置其指向矢量其中表示單位長度矢量且方向從所在位置點X指向點M，要求：路徑越短則f(x,y,z)越大且安全防碰撞距離越大則f(x,y,z)越小，所在位置的勢場梯度矢量與指向矢量合成運動矢量，由微分幾何的知識得：所在位置與運動矢量唯一決定其測地線，沿測地線運動到新位置；當舊、新位置與直線MN的位置關(guān)系沒有發(fā)生變化時，指向矢量的方向采用否則采用循環(huán)運動到點T；

另，從同倫的角度，初始路徑可能有多條，從而同倫邊折路徑與同倫測地路徑也相應(yīng)有多條。

綜上，我們可以看到在給定的物體或環(huán)境上，通過其二維或三維柵格地圖，如果給定起止兩點，我們就可以判定這兩點的可達性，及規(guī)劃出這兩點間的路徑，從而為自主運動及防碰撞提供基礎(chǔ)支撐。