一种基于稀疏带状结构的局部路径优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于稀疏带状结构的机器人局部路径优化方法及系统，所述方法包括：获取室内环境数据，并构建占据栅格地图；将占据栅格地图转换为欧式距离栅格地图，根据欧氏距离地图插值根据欧氏距离地图插值得到机器人与最近障碍物的距离函数，结合给定机器人到障碍物的安全距离，得到避障约束条件；在以机器人当前位置为中心的局部区域内，以局部路径的平滑性和避障为约束条件，求解局部最优路径。本发明专利技术通过将占据栅格地图转换为欧式距离栅格地图，根据欧氏距离栅格地图插值得到机器人到最近障碍物的连续可微的距离函数，克服了占据栅格地图离散化问题，并天然地计算得到梯度信息从而构建避障约束条件，有利于局部路径优化准确性的提高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于稀疏带状结构的局部路径优化方法及系统
本专利技术属于机器人自主导航
，尤其涉及一种基于稀疏带状结构的局部路径优化方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。随着科学技术的发展，移动机器人在家庭服务、仓储物流、救灾救援等方面得到了广泛的应用。运动规划是移动机器人实现自主导航的关键技术之一，得到了学者们的广泛关注和研究。出于计算效率的考虑，通常将移动机器人运动规划问题分解为全局规划和局部规划来处理，前者基于已知或部分未知的先验地图为机器人规划一条粗略的全局路径，后者根据实时的传感信息为机器人提供安全、灵活、高效的运动命令。在实际导航应用中，局部规划对机器人的运动质量起主导作用。移动机器人局部规划方法可分为基于采样的方法和基于数值优化的方法。基于采样的局部规划通常根据机器人当前状态生成一组候选的轨迹，然后根据评价函数筛选出一条最优的轨迹。评价函数通常会综合考虑和全局规划结果的偏差、到障碍物的距离等因素。根据采样空间的不同，又可将基于采样的局部规划方法分为基于速度空间采样的方法和基于状态空间采样的方法。基于速度空间采样的典型代表有动态窗口法(DynamicWindowApproach，DWA)和速度避障法(VelocityObstacle，VO)，这类方法能够保证轨迹的可行性。2008年，美国卡内基梅隆大学的Howard等人研究发现，相比于基于速度空间采样的方法，基于状态空间采样的方法具有轨迹分布均匀、对初始参数不敏感等优点。基于状态空间采样的典型方法包括模型预测控制法(ModelPredictiveControl，MPC)和几何轨线法。模型预测控制法由Howard等人提出，给定初始状态、目标状态和预测控制模型，结合牛顿迭代法和有限差分法求解控制输入，得到分布均匀的候选路径。然而，模型预测控制法在规划过程中并没有考虑到环境障碍物信息，因此会耗费大量时间用于生成不可行轨迹。几何轨线法是解耦的规划方法，首先利用几何轨线规划出可行的参考路径，然后沿给定路径进行速度规划，计算复杂度低。中国科学院沈阳自动化研究所的何玉庆研究员团队提出基于四阶贝塞尔曲线的局部路径生成方法，根据始末状态约束对贝塞尔曲线进行参数化，把局部路径构造问题转化为约束下的参数最优化问题，保证路径曲率连续有界。为降低在线生成局部路径的计算负担，南开大学张雪波教授团队提出执行层路径规划方法，离线对机器人初始曲率和目标状态进行密集采样，然后根据采样的初始曲率和目标状态利用文献中的方法生成五阶贝塞尔曲线，并存储在查找表中。在线规划的时候，根据机器人当前曲率从查找表中检索出相应的一簇候选路径，再根据评价函数对候选路径进行评价和筛选。这种离线生成路径、在线评价的局部路径规划方法计算效率非常高，但离线生成的局部路径的终点是离散固定的，因此规划的灵活性受限。此外，所有基于采样的局部规划方法本质上都受制于评价函数的设计和各项权重的设置。基于数值优化的局部规划方法通常综合考虑局部路径的安全性、平滑性、最优性和机器人自身的运动学、动力学模型等约束，将局部规划问题建模为最优化问题，通过迭代计算优化目标的局部极小值来获得局部最优的路径或轨迹。典型的基于数值优化的局部规划方法有等人提出的TEB(TimedElasticBand)。TEB将轨迹规划问题建模为非线性最小二乘问题，将避障、非完整约束等作为惩罚项加入优化目标中。通过调整路径点和路径点间的时间间隔，来得到安全、高效的局部轨迹。此外，由于优化变量中考虑了时间分量，使得速度、加速度等和时间相关的约束也可以天然地包含在优化目标中。然而，这种同时考虑避障、运动学和动力学约束的耦合式轨迹优化问题，存在着如下两大局限性：第一，软约束框架下，速度、加速度约束未必能满足；第二，约束之间如时间最优和避障是相互冲突的，导致运动效率、安全性等在一次优化过程中难以取得较好的效果。因此，一些学者也提出了解耦式的局部规划，先优化局部路径，再沿着给定路径进行速度规划，典型方法为Dolgov等人提出的HybridA*。该方法先用图搜索规划出一条粗糙的全局路径，然后考虑避障、最小转弯半径、平滑性等约束，采用共轭梯度法对局部路径进行平滑。然而，HybridA*中简单粗暴地采用K-D树来关联机器人和最近障碍物，计算负荷较大。此外，HybridA*并没有进一步探讨路径优化问题本身的一些数学特性，没能充分高效地求解优化问题。总结文献可以得知，现有的针对部分未知、动态变化的非结构化室内环境下的移动机器人局部规划方法仍然存在诸多缺陷，影响移动机器人的实际导航应用。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于稀疏带状结构的机器人局部路径优化方法及系统，结合欧式距离栅格地图，克服了栅格地图离散化问题，同时便于构建避障约束条件，保障了优化后局部路径的实时性，机器人能够灵活避障。为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：一种基于稀疏带状结构的机器人局部路径优化方法，包括以下步骤：获取室内环境数据，并构建占据栅格地图；将占据栅格地图转换为欧式距离栅格地图，根据欧氏距离地图插值得到机器人与最近障碍物的距离函数，结合给定机器人到障碍物的安全距离，得到避障约束条件；在以机器人当前位置为中心的局部区域内，以局部路径的平滑性和避障为约束条件，求解局部最优路径。进一步地，将占据栅格地图转换为欧式距离栅格地图具体为：将被障碍物占据的栅格值记为0，计算每个栅格的中心到最近障碍物栅格中心的欧式距离，得到欧式距离栅格地图。进一步地，所述避障约束条件采用避障项代价函数表示：其中，ds为给定机器人到障碍物的安全距离，为机器人与最近障碍物的距离函数的梯度，xi＝(xi,yi)T表示机器人位置的世界坐标。进一步地，局部路径的平滑性约束条件采用平滑项函数表示：其中，Δxi＝xi-xi-1,2≤i≤N表示xi-1指向xi的位移矢量，xi＝(xi,yi)T,1≤i≤N是以机器人当前位置为起点，以一定的间隔在局部区域内的全局路径上进行采样，得到的N个全局坐标系下表示的路径点，其中，全局路径是假设已经通过全局路径规划得到的一条无碰撞的路径。进一步地，求解局部最优路径具体为：求解以平滑项函数和避障项代价函数加权组合构建的目标函数。进一步地，基于LM法对目标函数进行求解，得到平滑项函数和避障项代价函数对应的海塞矩阵，累加得到稀疏带状的海塞矩阵，结合追赶法求解得到局部最优路径。一个或多个实施例提供了一种基于稀疏带状结构的机器人局部路径优化系统，包括：占据栅格地图构建模块，被配置为：获取室内环境数据，并构建占据栅格地图；欧氏距离栅格地图构建模块，被配置为：将占据栅格地图转换为欧式距离栅格地图；避障约束条件求解模块，被配置为：根据欧氏距离地图插值得到机器人与最近障碍物的距离函数，结合给定机器人到障碍物的安全距离，得到避障约束条件；局部路径优化模块，被配置为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于稀疏带状结构的机器人局部路径优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n获取室内环境数据，并构建占据栅格地图；/n将占据栅格地图转换为欧式距离栅格地图，根据欧氏距离地图插值得到机器人与最近障碍物的距离函数，结合给定机器人到障碍物的安全距离，得到避障约束条件；/n在以机器人当前位置为中心的局部区域内，以局部路径的平滑性和避障为约束条件，求解局部最优路径。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于稀疏带状结构的机器人局部路径优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取室内环境数据，并构建占据栅格地图；
将占据栅格地图转换为欧式距离栅格地图，根据欧氏距离地图插值得到机器人与最近障碍物的距离函数，结合给定机器人到障碍物的安全距离，得到避障约束条件；
在以机器人当前位置为中心的局部区域内，以局部路径的平滑性和避障为约束条件，求解局部最优路径。


2.如权利要求1所述的基于稀疏带状结构的机器人局部路径优化方法，其特征在于，将占据栅格地图转换为欧式距离栅格地图具体为：
将被障碍物占据的栅格值记为0，计算每个栅格的中心到最近障碍物栅格中心的欧式距离，得到欧式距离栅格地图。


3.如权利要求1所述的基于稀疏带状结构的机器人局部路径优化方法，其特征在于，所述避障约束条件采用避障项代价函数表示：



其中，ds为给定机器人到障碍物的安全距离，为机器人与最近障碍物的距离函数的梯度，xi＝(xi,yi)T表示机器人位置的世界坐标。


4.如权利要求3所述的基于稀疏带状结构的机器人局部路径优化方法，其特征在于，局部路径的平滑性约束条件采用平滑项函数表示：



其中，Δxi＝xi-xi-1,2≤i≤N表示xi-1指向xi的位移矢量，xi＝(xi,yi)T,1≤i≤N是以机器人当前位置为起点，以一定的间隔在局部区域内的全局路径上进行采样，得到的N个全局坐标系下表示的路径点，其中，全局路径是假设已经通过全局路径规划得到的一条无碰撞的路径。


5.如权利要求4所述的基于稀疏带状结...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪波，温键，苑晶，方勇纯，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12