一種機(jī)器人避障方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種機(jī)器人避障方法，其包括：步驟1：采集機(jī)器人的參數(shù)：重量Wh，橫截面最大寬度Wi，行進(jìn)速度V；同時，為機(jī)器人預(yù)設(shè)行進(jìn)路線，并以機(jī)器人的初始位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，令機(jī)器人的初始位置為O，預(yù)設(shè)行進(jìn)路線的終點(diǎn)為P；步驟2：機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)行進(jìn)路線行進(jìn)，同時通過傳感器實(shí)時檢測障礙物，如果有障礙物，將機(jī)器人此時位置記為O1，并重新規(guī)劃路線；步驟3：轉(zhuǎn)動機(jī)器人的朝向，使其根據(jù)步驟2的輸出路線繼續(xù)前進(jìn)；步驟4：機(jī)器人行進(jìn)的同時通過傳感器實(shí)時檢測障礙物，如果有障礙物，則重復(fù)步驟2和步驟3，直到到達(dá)終點(diǎn)位置。
【專利說明】
一種機(jī)器人避障方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人的制造領(lǐng)域，尤其是一種機(jī)器人的躲避障礙物的算法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)逐漸成為一種新興的熱門研究領(lǐng)域，人們一直在研究如何讓機(jī)器人取代人力來完成各種工作。機(jī)器人的本體上沒有智能單元只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和感應(yīng)機(jī)構(gòu)，它具有利用傳感信息(包括視覺、聽覺、觸覺、接近覺、力覺和紅外、超聲及激光等)進(jìn)行傳感信息處理、實(shí)現(xiàn)控制與操作的能力。一般的，機(jī)器人還受控于外部計(jì)算機(jī)，在外部計(jì)算機(jī)上具有智能處理單元，處理由受控機(jī)器人采集的各種信息以及機(jī)器人本身的各種姿態(tài)和軌跡等信息，然后發(fā)出控制指令指揮機(jī)器人的動作。
[0003]其中，機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境中，常常具有一些障礙物，如一些固定的支柱、一些臨時存放的機(jī)器人難以跨越的障礙等。機(jī)器人從某位置移動到另一位置時，必須避免與這些障礙物發(fā)生碰撞，因此需要繞行。如何讓機(jī)器人自動避障并選取合適的路線繼續(xù)前進(jìn)，是一個很復(fù)雜的問題，現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)提出了眾多的解決方案，然而，這些方案中，有的算法(人工勢場法、VFH直方圖法等等)較為精密，但是具有很復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)和普及的缺陷，并且使得整個機(jī)器人的成本變得非常高昂；有的算法簡單易于實(shí)現(xiàn)，但是其躲避障礙的精度不高，而且不同機(jī)器人的大小、重量不同，其行進(jìn)速度和計(jì)算能力也不同，采用現(xiàn)有的算法，無法完全做到百分百的避障。綜上，現(xiàn)有的機(jī)器人避障算法很難滿足用戶低成本、高精度的需求，也就導(dǎo)致機(jī)器人一直無法大范圍普及。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此，針對上述的問題，本發(fā)明提出一種機(jī)器人避障方法，對現(xiàn)有的機(jī)器人的避障方案進(jìn)行改進(jìn)，使其躲避障礙物的算法更為簡單，且考慮到機(jī)器人的大小、重量、行進(jìn)速度和計(jì)算能力等參數(shù)，使機(jī)器人做到百分百躲避障礙，并行動無斷點(diǎn)更為靈敏，且不增加成本，從而解決現(xiàn)有技術(shù)之不足。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種機(jī)器人避障方法，包括如下步驟:
步驟1:采集機(jī)器人的參數(shù):重量Wh(單位:千克)，橫截面最大寬度Wi(單位:米)，行進(jìn)速度V(單位:米每秒)；同時，為機(jī)器人預(yù)設(shè)行進(jìn)路線，并以機(jī)器人的初始位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，令機(jī)器人的初始位置為O，預(yù)設(shè)行進(jìn)路線的終點(diǎn)為P;
步驟2:機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)行進(jìn)路線行進(jìn)，同時通過傳感器實(shí)時檢測障礙物，如果有障礙物，將機(jī)器人此時位置記為01，并重新規(guī)劃路線:
步驟21:獲取障礙物的輪廓，然后獲取其輪廓的左側(cè)的最外延的點(diǎn)的坐標(biāo)A和右側(cè)的最外延的點(diǎn)的坐標(biāo)B;
步驟22:以A為中心、以dl為半徑得到一圓，分別以01和P為起點(diǎn)畫出與該圓的兩條切線，兩條切線相交于S，則得到新路線1:直線OlS和直線SP;同樣的，以B為中心、以d2為半徑得到一圓，分別以O(shè)l和P為起點(diǎn)畫出與該圓的兩條切線，兩條切線相交于G，則得到新路線2:直線OlG和直線GP; dl和d2為預(yù)設(shè)的偏移量，其設(shè)置是與重量Wh，橫截面最大寬度Wi，行進(jìn)速度V等要素有關(guān)，可采用多次實(shí)驗(yàn)獲得，也可由理論推導(dǎo)獲得；
步驟23:分別將預(yù)設(shè)行進(jìn)路線與新路線I和新路線2比較，得到最接近預(yù)設(shè)行進(jìn)路線的路線作為輸出路線，如果新路線I更為接近預(yù)設(shè)行進(jìn)路線，則將新路線I作為輸出路線，如果新路線2更為接近預(yù)設(shè)行進(jìn)路線，則將新路線2作為輸出路線；
步驟3:轉(zhuǎn)動機(jī)器人的朝向，使其根據(jù)步驟2的輸出路線繼續(xù)前進(jìn)；
步驟4:機(jī)器人行進(jìn)的同時通過傳感器實(shí)時檢測障礙物，如果有障礙物，則重復(fù)步驟2和步驟3，直到到達(dá)終點(diǎn)位置。
[0006]進(jìn)一步的，所述步驟22中，dl和d2為預(yù)設(shè)的偏移量，一般的，dl和d2的范圍為[(Wi/2-k*Wh/250V)，Wi ]，k為權(quán)衡系數(shù)，k的取值范圍為[O，I ]。該范圍是根據(jù)重量Wh，橫截面最大寬度Wi，行進(jìn)速度V以及仿真實(shí)驗(yàn)獲得，在實(shí)驗(yàn)時，首先對一具有標(biāo)準(zhǔn)條件的機(jī)器人建模得到標(biāo)準(zhǔn)值，然后再采用仿真軟件對各種不同重量不同速度的機(jī)器人進(jìn)行仿真，獲得上述范圍值。一般的，可將dl和d2簡單的設(shè)置為:dl=Wi/2，d2 =ffi/20
[0007]進(jìn)一步的，為了消除機(jī)器人的運(yùn)動軌跡的斷點(diǎn)，使其運(yùn)動軌跡變得光滑，步驟23還包括對輸出的輸出路線進(jìn)行處理的步驟:具體是對輸出路線的交點(diǎn)位置處的線段進(jìn)行圓弧化處理，方便機(jī)器人轉(zhuǎn)向并繼續(xù)前行。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)中一般采用較為復(fù)雜的算法，使得機(jī)器人難以推廣和普及，本發(fā)明通過上述方案，大大簡化了避障算法，其通過獲取障礙物的輪廓，然后獲取其輪廓的最外延的點(diǎn)的坐標(biāo)，并在最外延的點(diǎn)的基礎(chǔ)上增設(shè)偏移量，來規(guī)劃新的路線，從而使得不論什么參數(shù)的機(jī)器人均可做到完全躲避障礙物。本發(fā)明的方案簡單易于實(shí)現(xiàn)和推廣，具有很好的實(shí)用價值。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的思路的原理不意圖；
圖2為本發(fā)明的算法的實(shí)現(xiàn)原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]現(xiàn)結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0011]參見圖1，以機(jī)器人的初始位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系(可以是三維的或者二維的，本實(shí)施例中簡單起見，以二維為例)，令機(jī)器人的初始位置為0(0，0)，預(yù)設(shè)行進(jìn)路線的終點(diǎn)為P(X，y)；圖示中，起點(diǎn)和終點(diǎn)之間有一障礙物，障礙物的輪廓的左邊突出點(diǎn)為A，右邊為B，如果機(jī)器人直接以0Α+ΑΡ(或者0Β+ΒΡ)為路線，則很容易會撞到障礙物的邊沿，本發(fā)明考慮到機(jī)器人的自身參數(shù)，綜合考量，對其進(jìn)行改進(jìn)，解決這一問題。
[0012]作為一個具體的實(shí)施例，參見圖2，本發(fā)明的一種機(jī)器人避障方法，包括如下步驟:步驟1:采集機(jī)器人的參數(shù):重量Wh(單位:千克)，橫截面最大寬度Wi(單位:米)，行進(jìn)速度V(單位:米每秒)；同時，為機(jī)器人預(yù)設(shè)行進(jìn)路線，并以機(jī)器人的初始位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系(可以是三維的或者二維的，本實(shí)施例中簡單起見，以二維為例)，令機(jī)器人的初始位置為0(0，0)，預(yù)設(shè)行進(jìn)路線的終點(diǎn)為P(x，y);其中機(jī)器人的安全距離與機(jī)器人的體型有關(guān)，為了簡化計(jì)算，將機(jī)器人的橫截面簡化為一圓或者橢圓，這樣，機(jī)器人的安全距離與橫截面最大寬度Wi有關(guān)；
步驟2:機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)行進(jìn)路線行進(jìn)，同時通過傳感器實(shí)時檢測障礙物，如果檢測到障礙物，將機(jī)器人此時位置記為Ol，并重新規(guī)劃路線:
步驟21:獲取障礙物的輪廓，然后獲取其輪廓的左側(cè)的最外延的點(diǎn)的坐標(biāo)A和右側(cè)的最外延的點(diǎn)的坐標(biāo)B;
步驟22:以A為中心、以dl為半徑得到一圓，分別以01和P為起點(diǎn)畫出與該圓的兩條切線，兩條切線相交于S，則得到新路線1:直線OlS和直線SP;同樣的，以B為中心、以d2為半徑得到一圓，分別以01和P為起點(diǎn)畫出與該圓的兩條切線，兩條切線相交于G，則得到新路線2:直線OlG和直線GP ；本發(fā)明的每次行進(jìn)路線都向終點(diǎn)P靠攏，可減少到達(dá)目的地的代價；
步驟23:分別將預(yù)設(shè)行進(jìn)路線與新路線I和新路線2比較，得到最接近預(yù)設(shè)行進(jìn)路線的路線作為輸出路線，如果新路線I更為接近預(yù)設(shè)行進(jìn)路線，則將新路線I作為輸出路線，如果新路線2更為接近預(yù)設(shè)行進(jìn)路線，則將新路線2作為輸出路線;本實(shí)施例中，新路線2更為接近預(yù)設(shè)行進(jìn)路線，則輸出路線為新路線2;如果有多個障礙物，每次選取其邊界的最外延的點(diǎn)為中心畫圓，并根據(jù)切線來作為新路線，同時還將多個新路線與預(yù)設(shè)行進(jìn)路線進(jìn)行比較，來獲取最佳的輸出路線。其中將新路線與預(yù)設(shè)行進(jìn)路線進(jìn)行比較，可以是簡單的根據(jù)其路徑長短來比較，也可以根據(jù)路線的圖形進(jìn)行比對；
步驟3:轉(zhuǎn)動機(jī)器人的朝向，使其根據(jù)步驟2的輸出路線繼續(xù)前進(jìn)；
步驟4:機(jī)器人行進(jìn)的同時通過傳感器實(shí)時檢測障礙物，如果有障礙物，則重復(fù)步驟2和步驟3，直到到達(dá)終點(diǎn)位置。
[0013]其中，步驟22中，dl和d2為預(yù)設(shè)的偏移量，一般的，dl和d2的范圍為[(Wi/2- k*ffh/250V)，Wi]，k為權(quán)衡系數(shù)，k的取值與機(jī)器人的本身參數(shù)(大小、重量等)有關(guān)，其取值范圍為[0，1]。
[0014]本發(fā)明的上述步驟中，dl和d2的選擇至關(guān)重要，他們直接決定了算法的優(yōu)越性，如果dl和d2選的過大，到達(dá)目的地的代價則越高，因此要保證dl和d2足夠小，也即機(jī)器人轉(zhuǎn)向的角度足夠小，則機(jī)器人的運(yùn)動震蕩就越小，此時不僅能夠順利通過障礙，而且到達(dá)目的地的代價也越小。dl和d2的范圍是根據(jù)重量Wh，橫截面最大寬度Wi，行進(jìn)速度V以及仿真實(shí)驗(yàn)獲得，在實(shí)驗(yàn)時，首先根據(jù)50kg重量、行進(jìn)速度為0.2m/s的機(jī)器人建模得到標(biāo)準(zhǔn)值，然后再采用仿真軟件對各種不同重量不同速度的機(jī)器人進(jìn)行仿真，獲得上述范圍值。一般的，對于簡單的機(jī)器人(例如工業(yè)機(jī)器人)，如果考慮計(jì)算速度，可將dl和d2簡單的設(shè)置為:dl=Wi/
2，d2 =ffi/2o
[0015]本發(fā)明的上述方案，特別適用于多角的障礙物，現(xiàn)有的算法中，需要將機(jī)器人的活動窗口柵格向量化，并時刻更新活動窗口的參數(shù)值，同時將多角的障礙物進(jìn)行拍照然后進(jìn)行二值化處理獲得其具體的二值信息，然后獲取各區(qū)間的障礙密度，然后再計(jì)算其左右邊界與機(jī)器人之間的角度的域值，然后將域值轉(zhuǎn)化為角度后，驅(qū)動機(jī)器人轉(zhuǎn)向并行進(jìn);其中的運(yùn)算一般是多元的，非常復(fù)雜，需要高昂的硬件成本才能支撐，低成本的控制器計(jì)算速度慢，嚴(yán)重影響機(jī)器人的行進(jìn)速度。本發(fā)明無需上述復(fù)雜的算法，只需要提取障礙物的輪廓即可，并擴(kuò)大障礙物的邊界，增加機(jī)器人的安全距離，保證其能順利避開障礙，而不會被障礙物的邊界阻擋。
[0016]為了消除機(jī)器人的運(yùn)動軌跡的斷點(diǎn)，使其運(yùn)動軌跡變得光滑，步驟23還包括對輸出的輸出路線進(jìn)行處理的步驟:具體是對輸出路線的交點(diǎn)位置處的線段進(jìn)行圓弧化處理，方便機(jī)器人轉(zhuǎn)向并繼續(xù)前行。其中的圓弧化處理方法為現(xiàn)有技術(shù)，讀者可查閱相關(guān)資料獲得，這里不再贅述。
[0017]本發(fā)明的算法大大簡化了現(xiàn)有的避障算法，其所采用的硬件也大大簡化了，其中，只需要獲取障礙物的輪廓、然后計(jì)算輸出路線即可，其計(jì)算均為一元計(jì)算，簡單的處理器即可快速完成。因此，本發(fā)明的方案可廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器人，例如工業(yè)機(jī)器人、家用機(jī)器人(例如掃地機(jī)器人)等等領(lǐng)域。
[0018]盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種機(jī)器人避障方法，包括如下步驟: 步驟1:采集機(jī)器人的參數(shù):重量Wh，橫截面最大寬度Wi，行進(jìn)速度V;同時，為機(jī)器人預(yù)設(shè)行進(jìn)路線，并以機(jī)器人的初始位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，令機(jī)器人的初始位置為O，預(yù)設(shè)行進(jìn)路線的終點(diǎn)為P; 步驟2:機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)行進(jìn)路線行進(jìn)，同時通過傳感器實(shí)時檢測障礙物，如果檢測到障礙物，將機(jī)器人此時位置記為Ol，并重新規(guī)劃路線: 步驟21:獲取障礙物的輪廓，然后獲取其輪廓的左側(cè)的最外延的點(diǎn)的坐標(biāo)A和右側(cè)的最外延的點(diǎn)的坐標(biāo)B; 步驟22:以A為中心、以dl為半徑得到一圓，分別以01和P為起點(diǎn)畫出與該圓的兩條切線，兩條切線相交于S，則得到新路線1:直線OlS和直線SP;同樣的，以B為中心、以d2為半徑得到一圓，分別以01和P為起點(diǎn)畫出與該圓的兩條切線，兩條切線相交于G，則得到新路線2:直線OlG和直線GP ； dl和d2為預(yù)設(shè)的偏移量； 步驟23:分別將預(yù)設(shè)行進(jìn)路線與新路線I和新路線2比較，得到最接近預(yù)設(shè)行進(jìn)路線的路線作為輸出路線，如果新路線I更為接近預(yù)設(shè)行進(jìn)路線，則將新路線I作為輸出路線，如果新路線2更為接近預(yù)設(shè)行進(jìn)路線，則將新路線2作為輸出路線； 步驟3:轉(zhuǎn)動機(jī)器人的朝向，使其根據(jù)步驟2的輸出路線繼續(xù)前進(jìn)； 步驟4:機(jī)器人行進(jìn)的同時通過傳感器實(shí)時檢測障礙物，如果有障礙物，則重復(fù)步驟2和步驟3，直到到達(dá)終點(diǎn)位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人避障方法，其特征在于:所述步驟22中，dl和d2的范圍為[(Wi/2-k*Wh/250V)，Wi]，k為權(quán)衡系數(shù)，k的取值范圍為[0，1]。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人避障方法，其特征在于:所述步驟22中，dl=Wi/2，d2=ffi/2o4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的機(jī)器人避障方法，其特征在于:步驟23還包括對輸出的輸出路線進(jìn)行處理的步驟:具體是對輸出路線的交點(diǎn)位置處的線段進(jìn)行圓弧化處理。
【文檔編號】G05D1/02GK106054882SQ201610418158
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】梁爽
【申請人】深圳市金佰科創(chuàng)發(fā)展有限公司