一种基于测地线理论的栅格路径规划方法技术

本发明专利技术是一种基于测地线理论的栅格路径规划方法，在已知空间物体分布的情况下，就可以计算所有物体对空间势场的影响，根据这些空间势场，基于微分几何的测地线理论与代数拓扑的同伦同调理论，可以全局性地规划出若干条路径连接起止两点，再考虑到路径上运动物体的防碰撞安全距离及路径的长短、平滑性，完全可以优化出一条工程上可行的较优路径，从而对物体的自主运动带来坚实的理论与实践基础，对机器人、无人机、无人驾驶汽车等领域提供具有竞争力的技术优势。

A grid path planning method based on geodesic theory

The present invention relates to a method of path planning based on grid theory of geodesics, in known space object distribution, we can calculate all objects on the space potential field, according to the space potential field, the differential geometry theory of geodesics and algebraic topology based on homotopy theory, can the overall planning a plurality of connection paths starting and ending points, taking into account the path of the moving object on the anti-collision safety distance and path length, smoothness, can optimize a feasible optimal path, thus the object movement brings a solid theoretical and practical basis, to provide technical advantages for the robot competition UAV, unmanned vehicles, etc..

【技术实现步骤摘要】
一种基于测地线理论的栅格路径规划方法
本专利技术涉及人工智能、机器视觉、路径规划等技术概念，特别是机器人在陌生环境里如何选取可达路径去移动的决策，本专利技术可以应用于家庭或工业机器人、无人机及无人驾驶车的路径规划决策中。
技术介绍
随着近些年工业机器人的发展，带动了服务机器人行业的逐渐掘起，同时从2014年开始的智能硬件领域也开始突起，根据国际机器人联盟的统计，2015年服务机器人销售额将达85亿美元，并且保持较高的20％～30％增长率，在智能硬件领域，据艾瑞研究，2014年全球智能硬件装机量达到60亿台，预计2017年将超过140亿台。在市场高速发展的背后，问题同样明显，一方面市场的潜力还远未挖掘出来，另一方面，机器人及智能硬件进入服务行业也存在着一些技术难点。物体的视觉识别方面，虽是一大难点，但也有些技术性尝试往这方面攻关，例如专利《一种基于三维栅格地图的物体整体识别方法》与《一种基于颜色特征的物体辅助识别方法》中，提到一类方法“如何从形状的角度”、“颜色”、“材质”等方面来对物体进行识别。这里我们要解决的是：在环境空间中如何做路径规划，为自主移动打下坚实基础。专利技术目的本专利技术的主要目的就是解决机器在自主移动时，如何做路径规划，它提供一种方法，不仅能计算起止两点的路径可达性，还可计算并优化起止两点之间的路径。技术方案本专利技术的目的是这样实现的：通过相关设备及算法，例如激光雷达、CCD、CMOS、点云配准算法等，已经获取了实际环境中所有物体的栅格地图信息，其路径规划包括以下步骤：(1)通过物体的栅格信息，根据势函数的公式，计算全部障碍物栅格对周围空间的势场影响，在环境势函数建模时，考虑到计算的方便，我们设定一个影响距离σ，即障碍物栅格对周边栅格的影响范围，σ可以是但不限于欧氏距离、曼哈顿(Manhattan)距离等。(2)在环境势函数建模中，把每个空闲栅格的初始势值初始化为0，然后逐个分析每个障碍物栅格对σ距离内的所有栅格的势值影响，例如，在t时刻坐标为(ξi,τi,εi)的障碍物栅格对空闲栅格(x,y,z)的影响势：G为一常数；待逐个分析完每个障碍物栅格后，可得在t时刻栅格(x,y,z)的影响势：G同上为一常数；(3)直连起止两点，若中间无穿越障碍物栅格，则起止两点可达且其之间的连线可做为初始路径；若中间有穿越障碍物栅格，则在栅格两侧找到两点A与B，沿等势线或势线梯度或其组合，若两点A与B可以汇合，则起止两点可达且相应得到初始路径；否则起止两点不可达，既不存在一条有效路径连接起止两点；(4)若对路径有长短、安全、平滑性要求，则可以通过把初始路径同伦变换，求取出满足既定要求的目标路径，具体做法是，首先计算出路径最短的同伦边折路径，其次是，根据微分几何测地线理论，再同伦地计算出安全、平滑的同伦测地路径，这里的平滑不是指数学意义上的严格光滑，而是指离散情况下最大程度上接近光滑且起伏最小。本专利技术所使用的系统组成如下：势场建模系统、可达性检测系统、目标路径优化系统。这三个系统是按照功能设置的软件系统，各子系统具体功能如下：*势场建模系统：在已建模后的栅格地图上，计算所有障碍物栅格的空间势场分布，*可达性检测系统：计算起止两点的可达性，在可达的情况下输出起止两点的初始路径，*目标路径优化系统：在初始路径的基础上，计算满足既定要求的同伦测地路径。附图说明：图1是本专利技术方法所用系统组成图图2是环境的栅格示例图图3是环境的势场分布图图4是环境中起止两点的同伦路径图具体实施方式下面结合附图，说明本专利技术的实施方式。本专利技术方法所用的系统整体结构可参考附图1，它有三个子系统组成，具体包含如下步骤：第一步在势场建模系统中，已知环境的栅格地图，如附图2所示，对所有的障碍物栅格逐个分析其对周围势场的影响，势场建模系统输出是带有势场分布的栅格地图，如附图3所示。第二步在可达性检测系统中，给定起止两点，输出连接起止两点的初始路径，步骤如下：给定起止两点S与T，直连起止两点，如附图4中的短划直线段SOT，点O为障碍物栅格，沿此短划直线段在点O两侧选取两点A与B，根据A与B的势值，沿势线或沿势线的梯度或其组合找到一条连通线路，如附图4点划线所示，最终可以计算出一条初始路径；否则，起止两点S与T不可达；第三步初始路径存在意味着起止两点可达且可做为起止两点的一条路径，一般来讲，初始路径不是较理想的，考虑到路径越短越好、越安全越好、越平滑越好等等，我们可以优化初始路径。首先，在目标路径优化系统中，根据可达性检测系统的输出既初始路径，计算同伦边折路径，本质上把初始路径张紧后，其折点的有序集合便是同伦边折路径，如附图4所示，初始路径张紧后得虚线所示的同伦边折路径{S,M,N,T}，我们可以但不局限于采用如下方法计算：以S为起点，以初始路径上的内点为终点，直连这两点形成轨道，随着终点在初始路径上的移动，当轨道经过障碍物栅格时，选取离终点最近的障碍物栅格为同伦边折路径上的折点，如附图4所示，首先找到M点，随后找到N点，最终得同伦边折路径{S,M,N,T}；其次，令当前所在位置点X的坐标为(x,y,z)，设置X初始与起点S重合，设置其指向矢量其中表示单位长度矢量且方向从所在位置点X指向点M，要求：路径越短则f(x,y,z)越大且安全防碰撞距离越大则f(x,y,z)越小，所在位置的势场梯度矢量与指向矢量合成运动矢量，由微分几何的知识得：所在位置与运动矢量唯一决定其测地线，沿测地线运动到新位置；当旧、新位置与直线MN的位置关系没有发生变化时，指向矢量的方向采用否则采用循环运动到点T；另，从同伦的角度，初始路径可能有多条，从而同伦边折路径与同伦测地路径也相应有多条。综上，我们可以看到在给定的物体或环境上，通过其二维或三维栅格地图，如果给定起止两点，我们就可以判定这两点的可达性，及规划出这两点间的路径，从而为自主运动及防碰撞提供基础支撑。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于测地线理论的栅格路径规划方法，该方法是分析空间所有物体的势场分布，在势场分布的基础之上，寻求连接空间两点的路径，如果给出预期的目标条件，再找出符合既定要求的优化路径，其实现按如下步骤给出：(1)通过相关的设备及算法，如激光雷达、CCD、CMOS、视觉传感器或点云配准算法等，建立实际物体及实际环境的二维或三维栅格地图；(2)对于栅格地图中的所有物体，类似引力场或点电荷电场的方法，按照距离反比率建立整个空间的势场分布，在栅格地图上逐个分析每个障碍物栅格对周边空闲栅格的影响，这个影响用环境的势函数来表示，势函数

【技术特征摘要】
1.一种基于测地线理论的栅格路径规划方法，该方法是分析空间所有物体的势场分布，在势场分布的基础之上，寻求连接空间两点的路径，如果给出预期的目标条件，再找出符合既定要求的优化路径，其实现按如下步骤给出：(1)通过相关的设备及算法，如激光雷达、CCD、CMOS、视觉传感器或点云配准算法等，建立实际物体及实际环境的二维或三维栅格地图；(2)对于栅格地图中的所有物体，类似引力场或点电荷电场的方法，按照距离反比率建立整个空间的势场分布，在栅格地图上逐个分析每个障碍物栅格对周边空闲栅格的影响，这个影响用环境的势函数来表示，势函数表示(x,y,z)处的栅格在t时刻所受的所有障碍物栅格的影响(如果是二维的环境则不考虑Z轴)，详细如下所示。障碍物栅格Qi,i∈[1,n]在t时刻对栅格(x,y,z)的影响：G为一常数；在t时刻，栅格(x,y,z)所受影响的变化率即势函数的变化率来表示该处栅格的涨落情况，我们用E来标记此涨落情况，E即为该处栅格的梯度：(3)给定起止两点，利用空间势场的分布，可以沿着势线或势线梯度或其组合，全局性地找到若干条路径连接给定的起止两点，我们称这些路径为初始路径，这也意味着此起止两点是可达的，如果不存在这样的初始路径，则此起止两点是不可达的；(4)初始路径本身就可以做为起止...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红军，
申请(专利权)人：王红军，
类型：发明
国别省市：广东,44