CN101650189A - 行走路径规划方法与避开动态障碍物的导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于自走机器装置的行走路径规划方法，用来提供自走机器装置在实体场所的行走路径，包括第一、二步骤。第一步骤是基于实体场所产生相对的网状格状图，该网状格状图包含带有障碍参数值的多个地图网格，其中每个地图网格的该障碍参数值取决于在相对位置上该实体场所中的障碍物的位置。第二步骤是开始自起始点与目的点的地图网格向邻近地图网格持续扩展，直到所扩展的地图网格彼此相遇，并定义能彼此相遇到的扩展轨迹中每个地图网格为该行走路径。通过本发明提供的行走路径规划方法，可应用在自走机器装置，使得在一实际场所的自走机器装置，能够在起始点与目的点规划出行走路径。

Description

行走路径规划方法与避开动态障碍物的导航方法

技术领域

本发明涉及一种行走路径的规划方法以及导航方法，尤其涉及可用于自走机器装置(Mobile Robot Device)的行走路径规划方法与避开动态障碍物的导航方法。

背景技术

对自走机器装置(例如自走机器人)的课题来说，路径规划主要是指在有障碍物的工作环境中，寻找一条恰当路径，也就是从起始点到目的点的运动路径。在这个路径中，要使机器人在运动过程中能安全、无碰撞地绕过所有的障碍物。

在公知技术中，乃采取遇到新障碍物时，则重新作路径规划，而放弃原先的规划路径。在另一公知技术中，在起始点到目的点之间定义一条直线来作为规划路径，若此直线中有障碍物，即向左转或向右转，而绕开障碍物。然而若遇上连续障碍物时(例如墙壁)，就可能无法绕开障碍物，也就无法到达目的点，或者，就算能够绕开障碍物，而到达目的点，也常会多绕相当多的距离。

本发明的发明人有鉴于相关公知技术仍有改良之处，乃亟思发明而改良出用于自走机器装置的行走路径规划方法与避开动态障碍物的导航方法，可解决上述公知技术的缺点。

发明内容

本发明的第一目的在提供一种行走路径规划方法，可应用在自走机器装置，使得在一实际场所的自走机器装置，能够在起始点与目的点规划出行走路径。

本发明的第二目的在提供一种避开动态障碍物的导航方法，可应用在自走机器装置，使得在一实际场所的自走机器装置，能够在起始点与目的点规划出行走路径，能够避开动态障碍物，同时继续往目的地前进。

为达成本发明上述第一目的，本发明提供一种用于自走机器装置的行走路径规划方法，用来提供一自走机器装置在一实体场所的行走路径，包括下列步骤：基于该实体场所产生相对的一网状格状图，该网状格状图包含带有障碍参数值的多个地图网格，其中每个地图网格的该障碍参数值取决于在相对位置上该实体场所中的一障碍物的位置；以及开始自一起始点与一目的点的地图网格向邻近地图网格持续扩展，直到所扩展的地图网格彼此相遇，并定义能彼此相遇到的扩展轨迹中每个地图网格为该行走路径。

为达成本发明上述第二目的，本发明提供一种用于自走机器装置的避开动态障碍物的导航方法，包括下列步骤：行走路径规划步骤：基于该实体场所产生相对的一网状格状图，该网状格状图包含带有障碍参数值的多个地图网格，其中每个地图网格的该障碍参数值取决于在相对位置上该实体场所中的一障碍物的位置；开始自一起始点与一目的点的地图网格向邻近地图网格持续扩展，直到所扩展的地图网格彼此相遇，并定义能彼此相遇到的扩展轨迹中每个地图网格为该行走路径；避开动态障碍物的行走(moving)步骤：(a).依据该行走路径规划步骤的该行走路径行走，当要进入一中途位置之前时，检测到不属于该实体场所中原先具有的该障碍物时，将该障碍物定义成一动态障碍物；(b).依据该中途位置的下个转弯位置的转弯方向，在检测到该动态障碍物的位置处依照该转弯方向进行转弯，转弯后，接着如果刚才转弯方向是向左转弯，则沿着右手侧(right-hand)的该动态障碍物继续行走，如果刚才转弯方向是向右转弯，则沿着左手侧(1eft-hand)的该动态障碍物行走；(c).如果在前方再检测到另一个新动态障碍物时，而无法继续沿着该动态障碍物侧边行走，则在该检测到另一个新动态障碍物的位置向后转弯，向后转弯后，接着则沿着另一只手(the-other-hand)的该动态障碍物继续行走；(d).在步骤(b)以及(c)的行走时，判断是否已走到该行走路径上，如果为真，则再依该行走路径继续行走；(e).重复步骤(a)至步骤(d)，一直到行走至该目的点为止。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1显示本发明用于自走机器装置的行走路径规划方法的流程图。

图2A至图2D显示依据本发明行走路径规划方法对一实体场所的实施示意图。

图3显示本发明用于自走机器装置的避开动态障碍物的导航方法的流程图。

图4A至图4C显示自走机器装置依据本发明导航方法，在实体场所行走的路径示意图。

图5显示本发明检测到动态障碍物时，如何避开动态障碍物的流程图。

图6显示应用本发明方法的自走机器装置的架构示意图。

其中，附图标记说明如下：

5            实体场所

10           行走路径规划方法

20           网状格状图

12a～12b     障碍物

14a          起始点

14b          目的点

16           区块

18           行走路径

20、20’     动态障碍物

30           领航方法

31           行走路径规划步骤

33           避开动态障碍物的行走步骤

101～103     步骤

201a～201q   地图网格

311～313     步骤

331～339     步骤

401          中央处理器

403          闪存

405          检测器

407           存储器

409           行走机构单元

具体实施方式

图1显示本发明用于自走机器装置的行走路径规划方法的流程图，以及图2A至图2D显示依据本发明行走路径规划方法对一实体场所的实施示意图。本发明用于自走机器装置的行走路径规划方法10包括步骤101与步骤103。步骤101是基于一个实体场所5产生相对的网状格状图20，网状格状图20包含带有障碍参数值的多个地图网格(Map grid)201，其中每个地图网格201的该障碍参数值是取决于在相对位置上实体场所5中的障碍物的位置。

请参见图2A，为了使得自走机器装置(未示出)(例如机器人)可依据行走路径的规划结果在实体场所5(例如工厂)中行走(Moving)，实体场所5乃包含障碍物12a～12b。首先读入实体场所5的平面地图，并基于实体场所5产生相对的网状格状图20。在网状格状图20中，主要包含分别带有障碍参数值的多个地图网格201。每个地图网格201的大小例如可采行为1cm*1cm。

为了在完成路径规划后，能提供关于行走路径的坐标信息，在网状格状图20中的多个地图网格201可付予一个识别编号。

在实体场所5所出现的障碍物12a～12b，必须在网状格状图20中标注障碍物12a～12b所占据的位置。每个地图网格201的障碍参数值取决于在相对位置上实体场所5中的障碍物12a～12b的位置。如图2B中所标示斜线的区块16，属于区块16的所述多个地图网格201的障碍参数值均被设成例如1。而其它无被占据的地图网格201的障碍参数值则被设成例如0。此外，为了避免自走机器装置会行走到网状格状图20的外部，网状格状图20的边缘可被定义成连续障碍物，而所述多个地图网格201的障碍参数值均被设成1。

步骤103是开始自起始点14a与目的点14b的地图网格201向邻近地图网格201持续扩展，直到所扩展的地图网格201彼此相遇，并定义能彼此相遇到的扩展轨迹中每个地图网格201为行走路径。

请参见图2C，基于上述步骤101的前处理结果，开始自起始点14a与目的点14b的地图网格201分别向邻近地图网格持续扩展，直到所扩展的地图网格201彼此相遇，并定义能彼此相遇到的扩展轨迹中每个地图网格201为行走路径18。换言之，这就好像是对水池扔下两颗石头，所形成的水波逐渐扩大，最终会相遇。举例来说，在自起始点14a与目的点14b的地图网格201向邻近地图网格201持续扩展时，可从起始点14a的地图网格201与目的点14b的地图网格201，采以十字状(即为上、下、左、右)向邻近地图网格201持续扩展，被扩展的所述多个地图网格201再向上、下、左、右的四个邻近地图网格201持续扩展，直到由起始点14a与目的点14b所扩展的地图网格201彼此相遇，即相遇点18a所在位置。

然后，从相遇点18a所在位置分成两个方向，分别逆溯回起始点14a与目的点14b，而形成从相遇点18a分别逆溯回至起始点14a与目的点14b的扩展轨迹(即其所经过的地图网格201)，并以这两条轨迹定义成行走路径18，请参见图2D。

除了采以十字状向邻近地图网格201持续扩展以外，也可以改采米字状向八个邻近地图网格201持续扩展。

由于自走机器装置占有一定投影面积(例如：40cm*40cm)，需依据自走机器装置的大小，使网状格状图5中被障碍物12a～12b所占据的地图网格，再相对地向外调整被占据的地图网格201。举例来说，由自走机器装置中心点计算，往外扩张20cm，并可再加上保护范围10cm，故总共需向外扩张30cm，也就是说，被障碍物12a、12b所占据的地图网格，再相对地向外调整30cm，如此再调整增加被占据的地图网格201。同理，所述多个位于网状格状图20边缘的所述多个地图网格201，再相对地向外调整30cm，如此再调整增加被占据的地图网格201。

理想上，规划的行走路径18已能避开既有障碍，但是为了能够避开动态障碍物(即不属于实体场所5中原先具有的障碍物12a、12b)，可在自走机器装置上设置有检测器(Sensor)，例如红外线检测器或超音波检测器，以便随时检测在行走过程中所遇到的动态障碍物。

图3显示本发明用于自走机器装置的避开动态障碍物的导航方法的流程图，以及图4A至图4C显示自走机器装置依据本发明导航方法，在实体场所行走的路径示意图。本发明用于自走机器装置的避开动态障碍物的导航(Navigating)方法30包括行走路径规划步骤31与避开动态障碍物的行走(moving)步骤33。行走路径规划步骤31的两个步骤311、313分别相同于上述步骤101、103，因此不再重述。

请参见图4A，如果行走路径18中并无任何的动态障碍物，依据步骤333以及步骤335进行行走的自走机器装置，会行走通过识别编号201a、201b、201c、201d、201e、201f、201g、201n、201o、201p的所述多个地图网格201，最后抵达目的点14b。

在避开动态障碍物的行走步骤33的步骤331中，依据行走路径规划步骤31的行走路径18行走，当要进入中途位置之前时，检测到不属于实体场所中原先的障碍物，然后将该障碍物定义成动态障碍物20。请参见图4B，在行走路径18的中途位置，该中途位置的所对应的地图网格201其识别编号为201d，乃有一个障碍物。自走机器装置依据行走路径规划步骤31的行走路径18行走，行走通过识别编号为201a～201c的所述多个地图网格201。当自走机器装置将要行走到这个中途位置之前，也就是在识别编号为201c的地图网格201会检测到障碍物，然后将这障碍物定义成动态障碍物20。

接着，在避开动态障碍物的行走步骤33的步骤333中，依据该中途位置的下个转弯位置的转弯方向，在该中途位置依照该转弯方向进行转弯，转弯后，接着如果刚才转弯方向是向左转弯，则沿着右手侧(right-hand)的动态障碍物20继续行走；如果刚才转弯方向是向右转弯，则沿着左手侧(left-hand)的动态障碍物20行走。

请参见图4B与图5，就该中途位置而言，该中途位置的下个转弯位置即为识别编号为201g的地图网格201。在识别编号为201g的地图网格201的转弯方向是向右转。自走机器装置依据下个转弯位置的转弯方向，在识别编号为201c的地图网格201向右转。右转后，接着，自走机器装置判断如果刚才转弯方向是向左转弯，则沿着右手侧(right-hand)的动态障碍物20继续行走；如果刚才转弯方向判断是向右转弯，则沿着左手侧(left-hand)的动态障碍物20行走。

承续图4B的范例说明，自走机器装置在识别编号为201c的地图网格201向右转。右转后，接着，自走机器装置判断刚才转弯方向是向右转弯，则沿着左手侧(left-hand)的动态障碍物20行走，再行走通过识别编号201h、201i、201j、201e的所述多个地图网格201。

接着，在避开动态障碍物的行走步骤33的步骤335中，如果在前方再检测到另一个新动态障碍物时，而无法继续沿着动态障碍物20侧边行走，则在该检测到另一个新动态障碍物的位置向后转弯，向后转弯后，接着则沿着另一只手(the-other-hand)的该动态障碍物继续行走。

请参见图4C与图5，当检测到动态障碍物20后，由于下一转弯点为右转的关系，当时的自走机器装置会依据下一转弯点而右转，并沿着动态障碍物20的左墙行走(即自走机器装置左手侧)，若动态障碍物20占据的地图网格多达使自走机器装置还必需要持续延着左墙走时，例如图4C的动态障碍物20占据了地图网格201d、201i，另一个动态障碍物20’若被检测到在自走机器装置的前方，即图4C的地图网格201q已被动态障碍物20’占据，也就是说，自走机器装置沿左墙走时仍遭遇到阻碍，在此种情形下，自走机器装置向后转弯，掉头转向。

此时，自走机器装置行在识别编号201h的地图网格201向后转(即180°转)，向后转弯后，接着则沿着另一只手(the-other-hand)侧的动态障碍物20继续行走，此时的另一只手侧为右手侧。沿着右手侧的动态障碍物20继续行走的自走机器装置，会行走通过识别编号201c、201k、201l、201m、201e的所述多个地图网格201。

接着，在避开动态障碍物的行走步骤33的步骤337中，在步骤333以及步骤335的行走时，自走机器装置判断是否已走到行走路径18上，如果为真，则再依行走路径18继续行走。

依据步骤333以及步骤335进行行走的自走机器装置，到达识别编号201e的地图网格，当到达识别编号201e的地图网格201时，自走机器装置判断出已走到行走路径18上。

接着，在避开动态障碍物的行走步骤33的步骤339中，重复步骤331至步骤337，一直到行走至目的点为止。通过避开动态障碍物20、20’的自走机器装置，再依据步骤331至步骤337的行走方式，将会行走通过识别编号201f、201g、201n、201o、201p的所述多个地图网格201，最后抵达目的点14b。

图6显示应用本发明方法的自走机器装置的架构示意图。应用本发明方法的自走机器装置的硬件构成是可以采用公知技术。本发明的行走路径规划方法10以及领航方法30可以编写(Programming)成程序码(Program codes)，而该程序码是烧录于闪存403。至少一个以上的检测器405是用来检测障碍物。中央处理器401执行该程序码，并且接收所述多个检测器405所产生的信号。行走机构单元409是用来至少使得自走机器装置能够行走前进、转弯、以及停止前进，且行走机构单元409是受控于中央处理器401。基于实体场所5所产生相对的网状格状图20的数字数据是储存于存储器407，存储器407可以采用依电存储器或非依电存储器。

综上所述，本发明行走路径规划方法以及避开动态障碍物的导航方法，可应用在自走机器装置，只要对自走机器装置输入对应于实体场所的数字地图数据后，自走机器装置就能够在起始点与目的点规划出行走路径，同时依据导航方法，来快速地闪避动态障碍物，同时继续往目的地前进，此即为本发明效益所在。

通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种用于自走机器装置的行走路径规划方法，用来提供一自走机器装置在一实体场所的行走路径，包括下列步骤：

基于该实体场所产生相对的一网状格状图，该网状格状图包含带有障碍参数值的多个地图网格，其中每个地图网格的该障碍参数值取决于在相对位置上该实体场所中的一障碍物的位置；以及

开始自一起始点与一目的点的地图网格向邻近地图网格持续扩展，直到所扩展的地图网格彼此相遇，并定义能彼此相遇到的扩展轨迹中每个地图网格为该行走路径。

2.如权利要求1所述的用于自走机器装置的行走路径规划方法，其中该网状格状图的边缘被定义成连续障碍物。

3.如权利要求1所述的用于自走机器装置的行走路径规划方法，其中该网状格状图中的多个地图网格，进一步包含一识别编号。

4.如权利要求1所述的用于自走机器装置的行走路径规划方法，其中该开始自于该起始点与该目的点的地图网格向邻近地图网格持续扩展的步骤，为可自该起始点与该目的点的地图网格以十字状向邻近地图网格持续扩展。

5.如权利要求1所述的用于自走机器装置的行走路径规划方法，其中该开始自于该起始点与该目的点的地图网格向邻近地图网格持续扩展的步骤，为可自该起始点与该目的点的地图网格以米字状向邻近地图网格持续扩展。

6.如权利要求1所述的用于自走机器装置的行走路径规划方法，进一步取决于依据该自走机器的大小，使该网状格状图中被该障碍物所占据的地图网格，再相对地向外调整被占据的地图网格，以及设定被调整为占据的所述多个地图网格的障碍参数值。

7.一种用于自走机器装置的避开动态障碍物的导航方法，包括下列步骤：

行走路径规划步骤：

基于该实体场所产生相对的一网状格状图，该网状格状图包含带有障碍参数值的多个地图网格，其中每个地图网格的该障碍参数值取决于在相对位置上该实体场所中的一障碍物的位置；

开始自一起始点与一目的点的地图网格向邻近地图网格持续扩展，直到所扩展的地图网格彼此相遇，并定义能彼此相遇到的扩展轨迹中每个地图网格为该行走路径；

避开动态障碍物的行走步骤：

(a).依据该行走路径规划步骤的该行走路径行走，当要进入一中途位置之前时，检测到不属于该实体场所中原先具有的该障碍物时，将该障碍物定义成一动态障碍物；

(b).依据该中途位置的下个转弯位置的转弯方向，在检测到该动态障碍物的位置处依照该转弯方向进行转弯，转弯后，接着如果刚才转弯方向是向左转弯，则沿着右手侧的该动态障碍物继续行走，如果刚才转弯方向是向右转弯，则沿着左手侧的该动态障碍物行走；

(c).如果在前方再检测到另一个新动态障碍物时，而无法继续沿着该动态障碍物侧边行走，则在该检测到另一个新动态障碍物的位置向后转弯，向后转弯后，接着则沿着另一只手的该动态障碍物继续行走；

(d).在步骤(b)以及(c)的行走时，判断是否已走到该行走路径上，如果为真，则再依该行走路径继续行走；

(e).重复步骤(a)至步骤(d)，一直到行走至该目的点为止。

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