一種基于三維柵格地圖的環(huán)境特征表示與識(shí)別的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及人工智能、模式識(shí)別與Fourier變換、Walsh變換等離散正交變換技 術(shù)，特別是機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的三維環(huán)境建模與識(shí)別的方法，應(yīng)用于機(jī)器人的環(huán)境識(shí)別與 自主運(yùn)動(dòng)方面。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著近些年工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，帶動(dòng)了服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的逐漸掘起，同時(shí)從2014 年開(kāi)始的智能硬件領(lǐng)域也開(kāi)始突起，根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)，2015年服務(wù)機(jī)器人銷(xiāo)售 額將達(dá)85億美元，并且保持較高的20%~30%增長(zhǎng)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(jī)量達(dá)到60億臺(tái)，預(yù)計(jì)2017年將超過(guò)140億臺(tái)。
[0003] 在市場(chǎng)高速發(fā)展的背后，問(wèn)題同樣明顯，一方面市場(chǎng)的潛力還遠(yuǎn)未挖掘出來(lái)，另一 方面，機(jī)器人及智能硬件進(jìn)入服務(wù)行業(yè)也存在著一些技術(shù)難點(diǎn)，特別是三維環(huán)境的特征建 模與識(shí)別技術(shù)，例如機(jī)器人進(jìn)入實(shí)際的家庭環(huán)境中，進(jìn)行環(huán)境識(shí)別與安全性地自主移動(dòng)等， 目前來(lái)看都還有一定的技術(shù)難點(diǎn)。
[0004] 發(fā)明目的
[0005] 本發(fā)明的主要目的就是解決基于三維柵格地圖的環(huán)境建模后的環(huán)境特征表示與 識(shí)別問(wèn)題，它提供一種方法，使得基于三維柵格地圖的環(huán)境特征，便于存儲(chǔ)與計(jì)算，從而達(dá) 到方便識(shí)別的目的，為其他實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支撐?？梢缘幌抻趹?yīng)用在面向家庭的機(jī)器 人游戲及機(jī)器人清潔方面。
[0006] 技術(shù)方案
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：通過(guò)相關(guān)設(shè)備及算法，例如三維激光雷達(dá)等，已經(jīng)獲 取了實(shí)際環(huán)境的三維柵格地圖信息，經(jīng)過(guò)環(huán)境特征表示系統(tǒng)，計(jì)算與存儲(chǔ)體元的特征到三 維柵格地圖中，在設(shè)定好所需目標(biāo)體元的信息后，由環(huán)境特征識(shí)別系統(tǒng)，在三維柵格地圖中 匹配出全部所需的候選體元。其包括以下步驟：
[0008] (1)在環(huán)境特征表示系統(tǒng)中，考慮到計(jì)算的方便，我們?cè)O(shè)定一個(gè)影響距離σ，即障 礙物體元對(duì)周邊體元的影響范圍，σ可以是但不限于歐氏距離、曼哈頓（Manhattan)距離 等。同時(shí)也為了計(jì)算方便，把體元X的所受影響都平均離散到體元X的八個(gè)偏航面上[δ。， δπ/4，δπ/2，δ3π/4，δπ，δ 5π/4，δ3π/2，δ7π/4]，再把每個(gè)偏航面8;內(nèi)的影響分量都離散 到偏航面 內(nèi)的八個(gè)俯仰角上[η。，ηπ/12，ηπ/ 4，η5π/12，η7π/12，η 3π/4，η11π/12，ηπ]， 形成體元X的所受影響矩陣f (X)，并且計(jì)算體元X的所受影響矩陣f (X)的特征矩陣與特征 譜，這里給出兩種特征矩陣及特征譜的計(jì)算方法，
[0009] (2)在環(huán)境特征表示系統(tǒng)中，把每個(gè)空閑體元的影響矩陣的每個(gè)元素初始化為0， 逐個(gè)分析每個(gè)障礙物體元對(duì)σ距離內(nèi)的所有體元的影響，例如，在分析的過(guò)程中，障礙物 體元ξ相對(duì)體元X的偏航角度為Θ，俯仰角度為β，距離為d，d < 〇，則障礙物體元ξ對(duì) 體元X的影響函數(shù)可以是但不限于f (Xp,e,d) = Ι/d，如果Θ恰好在體元X的某一偏航面上， 則直接在這個(gè)偏航面上疊加即可，如果Θ在某兩個(gè)偏航面之間，例如Θ e (31/4, 31/2)， 貝IJ按照向量分解，把f(Xe,e,d)分解投影到偏航面S π/4上的向量匕與偏航面δ π/2上的向 量fb (兩個(gè)投影向量匕與f b同Z軸夾角相等，且與f (X e , e ,d)共面），按同樣的向量分解方 法再分別把向量匕與fb分解投影到各偏航面內(nèi)的相鄰兩個(gè)俯仰角方向上，當(dāng)對(duì)所有的障礙 物體元分析完成后，每一個(gè)體元的影響矩陣已經(jīng)計(jì)算完成，并存儲(chǔ)在柵格中，記為：
[0011] (3)在環(huán)境特征表示系統(tǒng)中，考慮到計(jì)算的方便，我們求取f(x)的特征矩陣F(X)， 并存儲(chǔ)在柵格中：
[0012] 方法一、通過(guò)二維Fourier變換求取F(x)，令變換算子P = 2￡>FFr，根據(jù)快速二維 Fourier變換計(jì)算得，
[0014] 方法二，通過(guò)Wal sh變換求取F (X)，令變換算子P = ，根據(jù)快速二維Wal sh Hadama變換算得，
[0016] 上述公式中的8x8矩陣，是8維的Walsh Hadama變換矩陣，不同的維數(shù)，所對(duì)應(yīng)的 Walsh Hadama變換矩陣是不相同的，其中：
[0018] (4)在環(huán)境特征表示系統(tǒng)中，考慮到計(jì)算的方便，我們求取特征矩陣F(X)的特征 譜P(X)，并存儲(chǔ)在柵格中：
[0019] 方法一、根據(jù)快速二維Fourier變換求出的特征矩陣F(X)，我們有，
[0020] CN 105184243 A 說(shuō)明書(shū) 3/8 頁(yè)
[0021] 通過(guò)求模運(yùn)算，特征譜元素 P(x) [i] [j] = |F(x) [i] [j] I = |Fi+1,.j+1|，i，j e [0， 7]
[0022] 方法二、根據(jù)快速二維Walsh Hadama變換求出的特征矩陣F (X)，我們有，
[0024] (5)在環(huán)境特征識(shí)別系統(tǒng)中，我們?cè)O(shè)定閾值deg reethrash°ld，并構(gòu)造目標(biāo)環(huán)境體 元y的影響矩陣
根據(jù)以上步驟使用二維Walsh Hadama變換 方法，求取對(duì)應(yīng)的特征譜P (y)，在三維柵格地圖上搜索所有的體元X，并比對(duì)相應(yīng)的特 征譜，記向量P (X)與向量P (y)之間的夾角為Z (P (X)，P (y))彡deg reethfesh°ld，計(jì)算
，如果。〇8 2(卩(叉），？(5〇)彡(：〇8((168代61-1<1)，就表 示體元X與目標(biāo)體元y在實(shí)際環(huán)境中是相似的，匹配出其中一個(gè)候選的體元，
[0025] (6)經(jīng)過(guò)環(huán)境特征表示與識(shí)別系統(tǒng)，我們能成功的找出所有的與目標(biāo)匹配的環(huán)境， 為后續(xù)應(yīng)用提供支撐。
[0026] 本發(fā)明所使用的系統(tǒng)組成如下：環(huán)境特征表示系統(tǒng)、環(huán)境特征識(shí)別系統(tǒng)。這二個(gè)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：
[0027] *環(huán)境特征表示系統(tǒng)：在已有的三維柵格地圖上，分析相關(guān)的體元，計(jì)算并存儲(chǔ)體 元的影響矩陣、特征矩陣、特征譜，
[0028] *環(huán)境特征識(shí)別系統(tǒng)：給出所期望環(huán)境對(duì)應(yīng)的體元影響矩陣，在已有體元特征的 三維柵格地圖上搜索查找，匹配出所有的與期望環(huán)境相似的體元。
【附圖說(shuō)明】：
[0029] 圖1是本發(fā)明方法所用系統(tǒng)組成圖
[0030] 圖2 (a)是三維柵格地圖，（b)是體元的影響向量及分解方法，（c)是偏航面分解示 意圖
[0031] 圖3(a)是體元的偏航面與俯仰角的離散化，（b)是離散化后的矩陣
[0032] 圖4是一扇門(mén)的不意圖
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0034] 本發(fā)明方法所用的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可參考圖1，它有二個(gè)子系統(tǒng)組成，具體包含如下 步驟：
[0035] 第一步
[0036] 首先，環(huán)境特征表示系統(tǒng)，定義距離為歐氏距離，設(shè)定影響距離σ = 4,即障礙物 體元只影響周邊距離4以?xún)?nèi)的體元，如圖2 (a)是環(huán)境的三維柵格地圖，圖2 (b)障礙物體元 的影響向量及分解方法：
[0037] f (xp, e,d) = fi+f2
[0038] = f (f3與f 4是f 2在兩個(gè)相鄰偏航面上的分量）
[0039] = f ' 3+f ' 4+f3+f4(f^ f 3與 f 4 的模長(zhǎng)比例分解成 f ' 3與 f ' 4)
[0040] = (fr3+f3) + (f，4+f4)
[0041] = fa+fb(fA f凋Z軸夾角相等）
[0042] 按圖3(a)所示把體元的影響離散到八個(gè)偏航面與八個(gè)俯仰角上，離散后的矩陣 如圖3(b)所示。
[0043] 其次，環(huán)境特征識(shí)別系統(tǒng)，設(shè)定deg reethrash°ld= 5°。
[0044] 第二步
[0045] 環(huán)境特征表示系統(tǒng)，初始化每個(gè)體元的影響矩陣的元素 t= 0, i，j e [1，8]，逐 個(gè)掃描三維柵格地圖中的每一個(gè)體元，對(duì)每一個(gè)障礙物體元全面計(jì)算對(duì)周邊體元的影響。
[0046] 例如，如圖4所示，障礙物體元（1，1，1)對(duì)體元（2,1，1)的影響f (χπ/2, π>1) = 1， 對(duì)該影響離散化到體元（2，1，1)的偏航面與俯仰角上，易知f(Xlt/2, π>1)恰好在偏航面δ π上，且在俯仰角n5lI/12與η 7ΙΙ/12之間，所以按向量分解的方式，只需把投影到俯 仰角與rI 7π/1；?上即可，由圖2與圖3知f(x π/2, π>1)分解以后得：
[0048] 同理，障礙物體元（1，2，1)對(duì)體元（2，1，1)的影響/(&,%方）=/萬(wàn)，離散到偏航面 δ3π/4上的俯仰角η 511/12與η 711/12上，分解后得：
[0050] 障礙物體元（1，3,1)對(duì)體元（2,1，1)的影響/^^+arctanQ. s，w)=乃5，離散到偏航面 δ3π/4與偏航面δ π/2上后分別為：
?，再把1與匕投影到所屬偏航面上的俯仰角η 511/12與η 7π/12 上，分解后得： CN 105184243 A 機(jī)切 5/8 頁(yè)
[0053] 障礙物體元