一种基于类三维地图的移动机器人全局路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于类三维地图的移动机器人全局路径规划方法，步骤１：将普通栅格地图改造为基于等高线原理的类三维地图；步骤２：初始规划：将移动机器人的起点和终点连成一条直线作为当前路径；步骤３：扫描当前路径穿过的栅格，若未扫描到障碍，则转至步骤６；若扫描到障碍，则根据障碍类型转至步骤４或步骤５；步骤４：处理与边界接触的障碍，更新当前路径，返回步骤３；步骤５：处理不与边界接触的障碍，更新当前路径，返回步骤３；步骤６：输出当前路径，全局路径规划完成。本发明专利技术充分发掘障碍物信息，提高程序执行效率、易于实现，满足移动机器人全局路径规划的实时性要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人及其智能控制领域，涉及。
技术介绍
移动机器人路径规划的任务是在有障碍物的工作环境中寻找一条从给定起点到终点的适当的运动路径，使机器人在运动过程中能安全无碰的绕过所有障碍物。根据工作环境的不同，路径规划可以分为两种工作环境的信息全部已知的全局路径规划；工作环境的信息全部未知或部分未知的局部路径规划。 目前应用较多的全局路径规划算法包括拓扑法、可视图法和栅格法。拓扑法建立拓扑网络的过程相当复杂，特别在增加障碍物时如何有效的修正已经存在的拓扑网络及如何提高图形速度是有待解决的问题；可视图法在搜索最短距离路径时对所有定点的价值不加以区别，仅仅只是将所有可行路径列举出来然后在其中选出一条最优路径，导致耗时较长，特别是当机器人的尺寸大小很小时搜索时间很长；栅格法中栅格粒度太大，规划的路径很不准确；栅格粒度太小，算法的搜索范围将按指数增加，计算量大，占用大量的存储空间，实时性不理想。 这些方法均侧重于路径的生成过程，只利用障碍物的边界信息，而不能根据障碍物信息来进行决策。因此充分发掘障碍物信息，设计一种简单高效且易于编程实现的全局路径规划算法，是提高程序执行效率、准确规划路径所必须考虑的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有全局路径规划算法的不足，提出，充分发掘障碍物信息，提高路径规划效率，易于实现，满足移动机器人全局路径规划的实时性要求。 本专利技术的技术方案如下 ，其特征在于，包括以下步骤 步骤1将普通栅格地图改造为基于等高线原理的类三维地图； 步骤2初始规划将移动机器人的起点和终点连成一条直线作为当前路径； 步骤3扫描当前路径穿过的栅格，若未扫描到障碍，则转至步骤6；若扫描到障碍，则首先确定障碍的类型，障碍的类型包括与边界接触的障碍和不与边界接触的障碍；如果是与边界接触的障碍，转至步骤4，否则转至步骤5；所述的与边界接触的障碍包括只与一侧边界接触的障碍以及与两侧边界接触的障碍； 步骤4处理与边界接触的障碍，更新当前路径，返回步骤3； 步骤5处理不与边界接触的障碍，更新当前路径，返回步骤3； 步骤6输出当前路径，全局路径规划完成； 所述的步骤1的具体步骤为 给栅格地图建立I、J坐标系，栅格地图中的栅格用数组ZG表示；数组ZG的元素ZG表示高度值； 依据等高线原理建立类三维地图，就是给地图中的每一个栅格点都赋予高度值，ZG＝H，H∈{0、1、2、3……}，H值越大表示高度越高； 栅格地图分为两种区域自由区域与障碍区域，自由区域的高度值H＝0；障碍区域的高度值H＞0，障碍区域分为三种不与边界接触的障碍区域，只与一侧边界接触的障碍区域，与两侧边界接触的障碍区域；只与一侧边界接触的障碍区域以及与两侧边界接触的障碍区域对应的障碍统称为障碍；以下分三种情况说明障碍区域的类三维地图的创建方法 (I)对于不与边界接触的障碍区域 iii 找出该区域I坐标的最大值Imax、I坐标的最小值Imin、J坐标的最大值Jmax、J坐标的最小值Jmin； iv 给该区域的所有I＝Imax和I＝Imin的两列栅格的高度值赋予1，给该区域的所有I＝(Imax-1)和I＝(Imin+1)的两列栅格的高度值赋予2，给该区域的所有I＝(Imax-2)和I＝(Imin+2)的两列栅格的高度值赋予3，依此类推，直到该区域所有的栅格都被赋予一个高度值； v 给该区域的所有J＝Jmax和J＝Jmin的两行栅格的高度值加上1，给该区域的所有J＝(Jmax-1)和J＝(Jmin+1)的两行栅格的高度值加上2，给该区域的所有J＝(Jmax-2)和J＝(Jmin+2)的两行栅格的高度值加上3，依此类推，直到该区域所有的栅格都被加上一个高度值； (II)对于只与一侧边界接触的障碍区域 i、出该区域I坐标的最大值Imax、I坐标的最小值Imin、J坐标的最大值Jmax、J坐标的最小值Jmin； ii、判断Imax、Imin、Jmax、Jmin四个值中哪个为边界值，即判断障碍区域与栅格地图的上、下、左、右四个边界中的哪个接触，从与该边界相对的一侧开始给障碍区域赋予高度值；给障碍区域中离该边界最远的一行或一列栅格赋予高度值1，给离该边界第二远的一行或一列栅格赋予高度值2，给离该边界第三远的一行或一列栅格赋予高度值3，依此类推，直到离该边界最近的一行或一列栅格也被赋予高度值； iii、然后从另一个方向开始给障碍区域的栅格加上高度值，即不妨设上一步中是按I坐标方向给栅格赋值，则本步骤中按J坐标方向给栅格加上高度值；给该区域的所有J＝Jmax和J＝Jmin的两行栅格的高度值加上1，给该区域的所有J＝(Jmax-1)和J＝(Jmin+1)的两行栅格的高度值加上2，给该区域的所有J＝(Jmax-2)和J＝(Jmin+2)的两行栅格的高度值加上3，依此类推，直到该区域所有的栅格都被加上一个高度值； (II)对于与两侧边界接触的障碍区域 a)找出该区域I坐标的最大值Imax、I坐标的最小值Imin、J坐标的最大值Jmax、J坐标的最小值Jmin； b)判断Imax、Imin、Jmax、Jmin四个值中哪两个为边界值，即判断障碍区域与地图的上、下、左、右四个边界中的哪两个边界接触，然后从两个被接触的边界中任选一个，从与该边界相对的一侧开始给障碍区域赋予高度值；不妨设选择行对应的边界为参照，给离该边界最远的一行栅格赋予高度值1，给离该边界第二远的一行栅格赋予高度值2，给离该边界第三远的一行栅格赋予高度值3，依此类推，直到离该边界最近的一行栅格也被赋予高度值； 然后从与另一边界相对的一侧开始给障碍区域加上高度值；给离另一边界最远的一列栅格的高度值加上1，给离另一边界第二远的一列栅格的高度值加上2，给离另一边界第三远的一列栅格的高度值加上3，依此类推，直到离另一边界最近的一列栅格也被加上高度值。 所述的步骤4中的处理与边界接触的障碍的步骤以及所述的步骤5中的处理不与边界接触的障碍的步骤为当前路径上每段位于与边界接触的障碍区域的路径段按照下降方向进行基本规划； 定义下降方向若路径穿过了某个障碍区域，则以位于障碍区域内的路径段中高度最大的点为起点，垂直于该路径段且所经过的栅格的高度值降低的方向就是下降方向； 定义基本规划若两点之间的初始规划路径穿过了障碍区域，则找到每段位于障碍区域的路径的下降方向，然后将每段位于障碍区域的路径用沿着障碍区域从下降方向绕过障碍区域的新路径段代替，基本规划就是对初始规划进行修正，基本规划后的路径段称为修正路径段； 具体步骤分为以下四步 I、找出当前路径上每段位于与边界接触的障碍区域的路径段的起点与终点， 修正路径段上的点(Iy，Jy)需满足以下三个条件 第一个条件位于下降方向一侧，即，满足下式 式中(Im，Jm)为该段穿过了障碍区域的路径段的起点坐标，(In，Jn)为该段穿过了障碍区域的路径段的终点坐标，(Iam，Jam)为该障碍区域的高度值最大的点的坐标； 第二个条件高度值为0，ZG＝0； 第三个条件与对应的障碍区域直接相邻；相邻，即路径所在栅格与障碍区域直接相邻。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于类三维地图的移动机器人全局路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤１：将普通栅格地图改造为基于等高线原理的类三维地图；步骤２：初始规划：将移动机器人的起点和终点连成一条直线作为当前路径；步骤３：扫描当前路径穿过的栅格，若未扫描到障碍，则转至步骤６；若扫描到障碍，则首先确定障碍的类型，障碍的类型包括与边界接触的障碍和不与边界接触的障碍；如果是与边界接触的障碍，转至步骤４，否则转至步骤５；所述的与边界接触的障碍包括只与一侧边界接触的障碍以及与两侧边界接触的障碍；步骤４：处理与边界接触的障碍，更新当前路径，返回步骤３；步骤５：处理不与边界接触的障碍，更新当前路径，返回步骤３；步骤６：输出当前路径，全局路径规划完成；

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王耀南，周良，朱江，印峰，马波，聂鑫，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]