一種適用于車式移動(dòng)機(jī)器人的室內(nèi)區(qū)域覆蓋方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及室內(nèi)環(huán)境中車式移動(dòng)機(jī)器人可用的區(qū)域覆蓋方法，它以一定的運(yùn)動(dòng)控 制邏輯，使得機(jī)器人能夠遍歷整個(gè)工作空間，該過程既要求機(jī)器人可以自主避障，也要使得 機(jī)器人能夠盡量覆蓋空間中每個(gè)單元，而且盡可能的避免區(qū)域重復(fù)覆蓋，整個(gè)行為符合人 類認(rèn)知特點(diǎn)。屬于移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著時(shí)代的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用在人類生產(chǎn)和生活 中，以輔助或替代人類完成一些重復(fù)性較高、技術(shù)含量較低或是比較危險(xiǎn)的任務(wù)，比如航空 航天、工業(yè)生產(chǎn)、教育、救援、家政服務(wù)等。區(qū)域覆蓋是服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的一項(xiàng)重要應(yīng)用，如 何高效的控制車式機(jī)器人完成指定區(qū)域的全覆蓋是一個(gè)典型的研宄課題。
[0003] 車式移動(dòng)機(jī)器人可以視作無人駕駛車的一種。當(dāng)前對(duì)無人車的研宄大多側(cè)重其在 室外環(huán)境中的應(yīng)用，很少考慮將其應(yīng)用在展廳、大廳等大規(guī)模室內(nèi)環(huán)境中。另一方面，將應(yīng) 用室外無人車的技術(shù)直接移植到室內(nèi)環(huán)境中存在一定的難度，因?yàn)镚PS、北斗信號(hào)等全局定 位手段在室內(nèi)環(huán)境中目前還無法使用，必須借助于室內(nèi)定位和導(dǎo)航技術(shù)。
[0004] 針對(duì)車式移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境中應(yīng)用的需求，本發(fā)明考慮車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)限制， 使得車輛具有掉頭、倒車、轉(zhuǎn)向能力，保證了車輛整個(gè)覆蓋過程進(jìn)行的比較可靠且自然?？?慮到環(huán)境中可能出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)障礙物，覆蓋過程機(jī)器人可以做到快速對(duì)其做出響應(yīng)，避開障 礙物，并重新回到初始規(guī)劃路徑中，使得車輛既可以實(shí)現(xiàn)自主避障又降低了區(qū)域的遺漏。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是通過對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃和控制，實(shí)現(xiàn)車式移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi) 環(huán)境中的區(qū)域全覆蓋。本發(fā)明主要包括兩個(gè)方面：1.車輛的運(yùn)動(dòng)仿真；2.針對(duì)不同規(guī)格的 子區(qū)域，形成多覆蓋策略；本發(fā)明提供的方法符合車式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，能夠安全、 有效的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的覆蓋功能。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種車式移動(dòng)機(jī)器人的室內(nèi)環(huán)境區(qū)域覆蓋方法，該方 法包括以下步驟：
[0007] 第一步，獲取當(dāng)前機(jī)器人的全局位姿，確定所在的子區(qū)域，并得到該子區(qū)域的寬度 W以及該子區(qū)域所包含的柵格信息；
[0008] 第二步，將子區(qū)域?qū)挾萕與最小轉(zhuǎn)彎半徑min_radius和車寬width_car的較大值 作比較，來決定區(qū)域的覆蓋策略；
[0009] 第三步，如果W小于max(min_radius,width_car)，此時(shí)機(jī)器人只需一次單向運(yùn)動(dòng) 就可以完成該區(qū)域的覆蓋；否則，執(zhí)行下一步；
[0010] 第四步，如果W值介于max(min_radius,width_car)和 2max(min_radius,width_ car)之間，貝采用往返覆蓋策略，由于機(jī)器人一次覆蓋的寬度是width_car，所以，此區(qū)域 只需要一次往返即可完成覆蓋；否則，執(zhí)行第五步；
[0011]第五步，W大于2max(min_radius,width_car)，則采用回旋策略；回旋策略可分以 下幾個(gè)步驟：
[0012] 1.確定機(jī)器人所需要的往返次數(shù)num，先確定機(jī)器人寬度占據(jù)的柵格列數(shù)，用子 區(qū)域總列數(shù)除以寬度占據(jù)的柵格列數(shù)得到num值；
[0013] 2.對(duì)于每次往返運(yùn)動(dòng)，首先保存此次往返所覆蓋的柵格坐標(biāo)，并確定目標(biāo)點(diǎn)時(shí)需 要考慮機(jī)器人的最小轉(zhuǎn)彎半徑；
[0014] 3.轉(zhuǎn)彎時(shí)，結(jié)合當(dāng)前機(jī)器人位姿和轉(zhuǎn)彎方向來確定轉(zhuǎn)彎圓弧目標(biāo)點(diǎn)；
[0015] 4.水平移動(dòng)，根據(jù)回旋策略，從當(dāng)前的規(guī)劃路徑到下一次規(guī)劃路徑間的轉(zhuǎn)移路徑， 保存此路徑中的柵格坐標(biāo)，在確定目標(biāo)點(diǎn)是也需要考慮機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑；
[0016] 5.水平轉(zhuǎn)移之后，執(zhí)行轉(zhuǎn)彎，確定轉(zhuǎn)彎圓弧目標(biāo)點(diǎn)；重復(fù)執(zhí)行上述步驟，直到完成 該子區(qū)域的完成；
[0017] 第六步，完成當(dāng)前子區(qū)域的覆蓋之后，采用最小樹的方法來確定目標(biāo)覆蓋子區(qū)域， 具體步驟如下：
[0018] 1.根據(jù)區(qū)域分割后的子區(qū)域信息可以建一個(gè)無向圖G，得到目前未規(guī)劃的子區(qū)域 總數(shù)為N;
[0019] 2.獲取當(dāng)前子區(qū)域SN的未規(guī)劃鄰接節(jié)點(diǎn)，總數(shù)記為M，其中：
[0020] 1)若M值為0,按之前的規(guī)劃覆蓋反向順序，找到第一個(gè)存在未規(guī)劃鄰接節(jié)點(diǎn)的節(jié) 點(diǎn)，且將該節(jié)點(diǎn)設(shè)為SN，返回步驟2 ;
[0021] 2)若M為1，將該未規(guī)劃鄰接節(jié)點(diǎn)定為SN，且將該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)標(biāo)記為已規(guī)劃狀態(tài)， 并將該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)子區(qū)域作為目標(biāo)覆蓋子區(qū)域，規(guī)劃結(jié)束；
[0022] 3)若M大于1，則將這些未規(guī)劃鄰接節(jié)點(diǎn)分別設(shè)為圖G的節(jié)點(diǎn)，并搜索最小樹節(jié) 點(diǎn)；若最小樹節(jié)點(diǎn)總數(shù)是1，則應(yīng)將對(duì)應(yīng)的未規(guī)劃節(jié)點(diǎn)設(shè)定SN，否則，計(jì)算機(jī)器人從當(dāng)前位 置到等價(jià)最小樹節(jié)點(diǎn)子區(qū)域的路徑代價(jià)值，最小代價(jià)對(duì)應(yīng)的未規(guī)劃節(jié)點(diǎn)設(shè)定為SN，將SN的 狀態(tài)標(biāo)記為已規(guī)劃狀態(tài)，并將SN對(duì)應(yīng)子區(qū)域作為目標(biāo)覆蓋子區(qū)域，規(guī)劃結(jié)束；
[0023] 第七步，確定目標(biāo)覆蓋子區(qū)域之后，基于Dijkstra算法實(shí)現(xiàn)區(qū)域間轉(zhuǎn)移路徑，并 將該路徑傳遞給機(jī)器人執(zhí)行單元完成區(qū)域轉(zhuǎn)移；
[0024] 第八步，到達(dá)目標(biāo)覆蓋子區(qū)域后，重復(fù)上述步驟，完成所有子區(qū)域的覆蓋。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0026] (1)本發(fā)明考慮了子區(qū)域的主方向問題，在每個(gè)子區(qū)域內(nèi)部參照主方向來設(shè)定機(jī) 器人的運(yùn)動(dòng)方向，可以減少機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎次數(shù)，提高覆蓋效率。
[0027] (2)本發(fā)明對(duì)每個(gè)子區(qū)域的覆蓋策略是基于該區(qū)域的規(guī)格來設(shè)定的，可以保證針 對(duì)不同規(guī)格區(qū)域使用最有效的覆蓋策略，形成多策略區(qū)域覆蓋，提高機(jī)器人的工作效率。
【附圖說明】
[0028] 圖1為區(qū)域覆蓋算法流程圖；
[0029] 圖2為車輛運(yùn)動(dòng)模型示意圖；
[0030] 圖3為實(shí)驗(yàn)車式移動(dòng)機(jī)器人；
[0031] 圖4為算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)環(huán)境；
[0032] 圖5為機(jī)器人覆蓋軌跡圖；
[0033] 圖6為覆蓋過程覆蓋率和耗時(shí)參數(shù)變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本實(shí)施例在以發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方案和過程， 但本發(fā)明的實(shí)施范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0035] 如圖1所示，一種車式移動(dòng)機(jī)器人的室內(nèi)環(huán)境區(qū)域覆蓋方法，該方法包括以下步 驟：
[0036] 第一步，獲取當(dāng)前機(jī)器人的全局位姿，確定所在的子區(qū)域，并得到該子區(qū)域的寬度 W以及該子區(qū)域所包含的柵格信息；
[0037] 第二步，將子區(qū)域?qū)挾萕與最小轉(zhuǎn)彎半徑min_radius和車寬width_car的較大值 作比較，來決定區(qū)域的覆蓋策略；
[0038] 第三步，如果W小于max(min_radius,width_car)，此時(shí)機(jī)器人只需一次單向運(yùn)動(dòng) 就可以完成該區(qū)域的覆蓋；否則，執(zhí)行下一步；
[0039] 第四步，如果W值介于max(min_radius,