一种仿地形城市救援机器人的自主导航方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种仿地形城市救援机器人的自主导航方法，包括如下步骤：S1、建立救援机器人模型；S2、为所述救援机器人的每个车轮设计控制器用于调节各轮轮速；S3、对所述控制器采用PID速度环的方式进行闭环控制来保证其控制效果的精度；S4、获取感知信息，便于后续的建图与自主导航；S5、在通用的PUTN算法的基础上，设计相应的代价函数使得所述救援机器人能够实时的规避局部障碍物同时平稳地跟随全局参考路径。本发明专利技术实现了在非结构化城市地形环境下机器人无先验实时自主导航功能，可用于危险地形下的救援任务。本发明专利技术实现了仿地形八轮车的运动学建模与仿真，可用于不同导航算法验证与调试。与调试。与调试。

【技术实现步骤摘要】
一种仿地形城市救援机器人的自主导航方法与系统


[0001]本专利技术涉及机器人控制
，特别是涉及一种仿地形城市救援机器人的自主导航方法与系统。

技术介绍

[0002]针对城市灾后搜救、战后救援、野外边境巡防等多路况复杂环境，具有复杂地形适应性、通过性、自主性等能力的智能无人化机器人，将大大提高搜救和巡防任务的效果，极大减少人类进入危险环境的风险。因此，发展智能无人化平台，研制智能仿地形机器人将对未来城市灾后搜救、战后救援和野外边境巡防等场景具有极大的应用价值。
[0003]仿地形移动机器人是指机器人在地表运行过程中能够适应不同的地表状况，根据不同的地表状况调整自身姿态，来达到车身稳定或者防止侧滑等目标。相比于普通的轮式和履带式机器人，仿地形轮式有着更高的机动性，更小的能耗，更优良的地面适应性，更高的驾驶效率与耕地的摩擦噪音。
[0004]根据实现方式的不同，可以将仿地形移动机器人分为主动式的和被动式的。主动式的仿地形机器人会根据传感器(力度传感器，相机，激光雷达)返回的信息主动调整自身机构来满足仿地形需求；被动式的仿地形机器人根据地表状况被动的去适应地面，无法主动的去执行相关机构的动作。仿地形机器人的结构多样，一般来说可以通过辅助轮、辅助摆臂、悬架等方式实现。
[0005]自主定位导航技术是实时定位、自主地图构建和运动规划与控制技术的统称。它可帮助机器人在非结构化的环境中无需人工参与而自主地移动完成既定的任务。自主导航能够有效地提升八轮救援车的自主化，智能化程度。自主导航系统的搭建依赖于控制设备，传感设备与通信设备，需要完成智能感知、信息交互、决策规划等功能，并尽可能地实现跨平台的通用化。
[0006]现有技术中一种基于天际线匹配的城市峡谷组合导航定位方法，属于卫星定位导航
，该方法利用普通相机拍摄的近距离建筑物图像与3D(3
‑
dimension，三维)城市模型中建筑物数据对比，粗略确定候选位置，生成天际线数据库；对红外相机拍摄的红外天空图像平滑处理，进行边缘检测和特征提取，与天际线数据库数据特征匹配，获得区域位置点；计算区域位置点建筑物仰角，根据建筑物仰角、载噪比和伪距残差进行卫星筛选，利用筛选后的卫星信号进行导航解算得到GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)位置解信息；将GNSS位置解信息和IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)导航参数导入卡尔曼滤波器，利用误差改正信息修正导航参数，获得最终位置信息。本方法提高了GNSS、IMU与视觉融合的导航性能，运算效率与精度都有了很好的提升，但用天空图像处理的方法来获得机器人区域位置点的方法稳定性精确性容易受天气状况的影响。
[0007]现有技术中一种基于视觉SLAM(Simultaneous LocalizationAnd Mapping，同步定位与地图绘制)和网络地图结合的机器人城市导航系统，其在利用全局路径规划确定网
络地图中轮式机器人达到目标地点位置的城市道路导航路径的基础上，借助视觉SLAM处理得到的轮式机器人所处位置区域的环境物体空间占据情况对城市道路导航路径加以进一步的局部避障路径优化，从而通过视觉SLAM和网络地图相结合，弥补了仅依赖于全局路径规划进行轮式机器人导航控制所存在的多方面技术限制和不足，能够对轮式机器人提供更加细致的定位和路径导航，更好地保证轮式机器人能够按照局部避障路径优化后的城市道路导航路径得以顺利通行，进而更好的确保对轮式机器人路径规划和导航的准确性和通行有效性；但是视觉SLAM的方法难以同时兼顾实时性和稠密性，难以准确全面地描述周围环境空间的占据状况。
[0008]在城市救援环境中，在没有先验地图的情况下获得自身的位置信息并且能够准确的完成自主导航可以提高救援效率。基于GPS(Global Positioning System，全球定位系统)的卫星定位在信号覆盖较差的地方在厘米级别的范围内难以达到精度要求且缺乏稳定性，即使采用对天空等路标点进行图像匹配来增强精度，仍然难以在复杂天气的条件下稳定运行。而基于视觉SLAM的方法则高度依赖于视觉对于环境的感知，如果室外的光度等环境条件发生较大变化，则容易发生图像丢失的状况，导致任务的失败。

技术实现思路

[0009]为了弥补上述现有技术的不足，本专利技术提出一种仿地形城市救援机器人的自主导航方法与系统，以解决获得机器人区域位置点的方法稳定性精确性以及难以准确全面地描述周围环境空间的占据状况的问题。
[0010]本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
[0011]一种仿地形城市救援机器人的自主导航方法，包括如下步骤：
[0012]S1、建立救援机器人模型；
[0013]S2、为所述救援机器人的每个车轮设计控制器用于调节各轮轮速；
[0014]S3、对所述控制器采用PID速度环的方式进行闭环控制来保证其控制效果的精度；
[0015]S4、获取感知信息，便于后续的建图与自主导航；
[0016]S5、在通用的PUTN算法的基础上，设计相应的代价函数使得所述救援机器人能够实时的规避局部障碍物同时平稳地跟随全局参考路径。
[0017]在一些实施例中，还包括如下技术特征：
[0018]所述救援机器人为八轮救援机器人，每四个轮子为一组，被固定在一个转向架上，前转向架与后转向架通过一条杆连接，其中，后转向架固定，前转向架可以绕其中心轴转动，使八轮救援机器人实现转向操作；转向架上方的平面用于放置雷达，机械臂等部件，使八轮救援机器人能执行多种复杂任务。
[0019]各轮轮速与八轮救援机器人的前进速度v
r
和转向架转向角α的关系如下：
[0020][0021]其中，r
i
为每个车轮对应的转弯半径，R为八轮救援机器人后转向架的转弯半径。
[0022]步骤S5中，具体的设计如下：
[0023][0024]s.t.x
k+1
＝f(x
k
，u
k
)
[0025]x0＝x
start
[0026][0027][0028]其中，Q和R分别为系数矩阵，分别设置为分别代表状态量和输入量的权重；x
k
为机器人状态量，x0和x
start
为初始机器人状态量，u
k
为机器人输入量，f为系统运动学模型，具体形式为
[0029][0030]Δt为时间间隔；分别为状态量和输入量的约束；为障碍物的状态；d
safe
为安全距离；λ为控制输入权值，它的计算如下：
[0031]λ＝((1
‑
t
mean
)(1
‑
σ
mean
))
‑2[0032]其中t
mean
表示预测时域内点的可通行性(可通行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿地形城市救援机器人的自主导航方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立救援机器人模型；S2、为所述救援机器人的每个车轮设计控制器用于调节各轮轮速；S3、对所述控制器采用PID速度环的方式进行闭环控制来保证其控制效果的精度；S4、获取感知信息，便于后续的建图与自主导航；S5、在通用的PUTN算法的基础上，设计相应的代价函数使得所述救援机器人能够实时的规避局部障碍物同时平稳地跟随全局参考路径。2.如权利要求1所述的仿地形城市救援机器人的自主导航方法，其特征在于，所述救援机器人为八轮救援机器人，每四个轮子为一组，被固定在一个转向架上，前转向架与后转向架通过一条杆连接，其中，后转向架固定，前转向架可以绕其中心轴转动，使八轮救援机器人实现转向操作；转向架上方的平面用于放置雷达，机械臂等部件，使八轮救援机器人能执行多种复杂任务。3.如权利要求2所述的仿地形城市救援机器人的自主导航方法，其特征在于，各轮轮速与八轮救援机器人的前进速度v
r
和转向架转向角α的关系如下：其中，r
i
为每个车轮对应的转弯半径，R为八轮救援机器人后转向架的转弯半径。4.如权利要求1所述的仿地形城市救援机器人的自主导航方法，其特征在于，步骤S5中，具体的设计如下：s.t.x
k+1
＝f(x
k
，u
k
)x0＝x
startstart
其中，Q和R分别为系数矩阵，分别设置为分别代表状态量和输入量的权重；x
k
为机器人状态量，x0和x
start
为初始机器人状态量，u
k
为机器人输入量，f为系统运动学模型，具体形式为Δt为时间间隔；分别为状态量和输入量的约束；为障碍物的状态；d
safe
为安全
距离；λ为控制输入权值，它的计算如下：λ＝((1
‑
t
mean
...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁斌，徐峰，翦卓著，王学谦，莫凯，邵明启，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：