CN102222157B - 一种基于人工势场法的动态预警域生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工势场法的动态预警域生成方法，包括步骤：(1)空间的离散化；(2)空间单元的分类，把离散化的空间单元分成两类，一类是空间单元与物体发生相交的，另外一类数空间单元与物体没有发生相交；(3)根据集合

生成预警域。本发明可生成能够精确地计算出预警域内是否有侵入的目标，并以没有侵入目标的层为安全层，以最外安全层的距离为保守估计距离，而估计距离的精度随着预警域的精细程度而变化的预警域，具有对任意复杂，任意形状的虚拟物体都有效，能够实时获取机器人与环境物体的相对位置等优点。

Description

一种基于人工势场法的动态预警域生成方法

技术领域

本发明属于机器人预警领域，特别涉及一种基于人工势场法的动态预警域生成方法。

背景技术

随着机器人技术发展越来越成熟，机器人的应用领域也不断的扩展，然而机器人的工作环境也相应的变得越来越复杂，对于机器人在工作空间中活动会存在极大的安全危险。

为了让机器人能感知自身与周围环境的接触情况，一种方法是在机器人身上安装传感器，实时的捕捉距离信息，但是利用传感器不能感知机器人每一个点与周围环境的相对位置。另一种策略是利用虚拟现实技术，把真实环境在计算机中重现，并利用快速碰撞检测技术进行碰撞检测。该方法只能得出机器人与环境物体的碰撞情况，不能感知机器人与物体的相对位置信息，操作员只能每次只能做试探性动作感知机器人能否进行下一步动作，这就为操作员带来了很大的压力，而且不直观的信息严重影响操作效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种灵活而且容易实施的基于人工势场法的动态预警域生成方法。

为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于人工势场法的动态预警域生成方法，包括如下步骤：

S1、空间的离散化，包括以下步骤：

S1-1、利用离散的方法对物体所处的空间进行拟合，得到一系列的空间单元和离散空间点，空间离散化的细度与预警域的精度需求有关。选取的空间大小比物体尺寸大，可动态调整。

S1-2、根据空间中的离散点、空间单元和空间单元边长，运用空间坐标系，定位每一个空间单元。

S2、空间单元的分类，包括以下步骤：

S2-1、对空间中的每个空间单元，采用12个三角片组成，其中每一个面由两个三角片构成。

S2-2、把离散化的空间单元分成两类，一类是空间单元与物体发生相交的，用集合U^α表示，另外一类数空间单元与物体没有发生相交，用集合U^β表示。此外，采用KDops快速碰撞检测算法进行空间单元与物体点的相交测试，把所有与物体发生碰撞的空间单元归集到集合U^α，与物体没有发生碰撞的空间单元归集到集合U^β。

S3、生成动态预警域，包括以下步骤：

S3-1、把集合U^α虚拟成一个等势体，根据等势体对空间中的每一个点都产生势场的原理，计算集合U^β中的每一个空间单元与集合U^α的距离，把所有属于同一个距离的空间单元归集到一个集合

里。

S3-2、根据集合

生成预警域，在同一个集合

中的空间单元属于同一级预警域。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)、本发明基于人工势场法的动态预警域生成方法，可以精确地得出预警域内是否有侵入的目标，没有侵入目标的层称为安全层，以最外安全层的距离为保守估计距离。估计距离的精度随着预警域的精细程度而变化。

(2)、本发明基于人工势场法的动态预警域生成方法，可以对任意复杂，任意形状的虚拟物体都有效，而且经过了优化算法可以使得预警域所包含的三角片数量大大减少，从而加快碰撞检测速度与界面刷新速度。

(3)、本发明基于人工势场法的动态预警域生成方法，技术手段简便易行，效率高。

附图说明

图1是本发明基于人工势场法的动态预警域生成方法空间离散化示意图；

图2是本发明基于人工势场法的动态预警域生成方法空间单元分类示意图；

图3，其中(a)给出了为本发明基于人工势场法的动态预警域生成方法等势体与等势力面的示意图；(b)给出了为等势线示意图；

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明基于人工势场法的动态预警域生成方法，包括如下步骤：

S1、空间的离散化；

S2、空间单元的分类；

S3、生成动态预警域；

如图1所示，步骤S1包括以下步骤：

S1-1、利用离散的方法对物体所处的空间进行拟合，得到一系列的空间单元和离散空间点，空间离散化的细度与预警域的精度需求有关。选取的空间大小比物体尺寸大，可动态调整。

S1-2、根据空间中的离散点、空间单元和空间单元边长，运用空间坐标系，定位每一个空间单元。图1给出了对某个物体进行空间离散化点示意图。图1中选取的空间大小为物体尺寸的两倍，空间单元的边长为物体直径1/10。在计算空间斥力时，只考虑离散化的空间单元，而空间点与等势体点距离退化为空间点所属于的空间单元与所有包含物体的空间单元的最短距离。为了方便定位每一个空间单元，对离散化的所有空间单元进行三维编号，选择离坐标原点最近的角点为起始点，分别沿x，y，z方向进行顺序编号(i＝1，2，...，n；j＝1，2，...，n；k＝1，2，...nn为任意一边的空间单元数)，那么对于每一个空间单元，都能找到唯一点标号(i，j，k)与其对应。对于空间单元P(i^p，j^p，k^p)和Q(i^q，j^q，k^q)，则空间单元PQ点距离为：

$d=\sqrt{{(i^p-i^q)}^2+{(j^p-j^q)}^2+{(k^p-k^q)}^2}---\left(1\right)$

上述步骤S2具体包括以下步骤：

S2-1、在进行空间单元点分类中，需要计算每一个空间单元与物体是否发生相交。本算法采用KDops快速碰撞检测方法进行空间单元与物体点相交测试。为了方便采用KDops快速碰撞检测算法，对空间中的每个空间单元，采用12个三角片组成，其中每一个面由两个三角片构成。

S2-2、把离散化的空间单元分成两类，一类是空间单元与物体发生相交的，用集合U^α表示，另外一类数空间单元与物体没有发生相交，用集合U^β表示。此外，采用KDops快速碰撞检测算法进行空间单元与物体点的相交测试，通过构造空间单元与物体的层次树，并进行相应的坐标变换进行碰撞检测，把所有与物体发生碰撞的空间单元归集到集合U^α，与物体没有发生碰撞的空间单元归集到集合U^β，如图2所示。

步骤S3所述的预警域生成是采用一种基于人工势场法，根据机器人的运动空间而生成动态预警域的方法。人工势场是将机器人运动的空间抽象成一个具有人造引力场的场地。而目标物体则被虚拟成一个等势体。等势体在其附近产生势场，本文中只考虑等势体对任意空间点P产生的斥力场U：

其中

是斥力常数，d为空间点P与等势体所有点的最短距离。

所有斥力相等的点组成的面构成等势面。由于斥力与距离有关，那么等势面所有的点与等势体的距离是相同的，等势面对应于预警域的物理意思是等距面。图3(a)给出了等势面的示意图，颜色的深浅表示势场的强弱，其中中间颜色最深的物体是等势体。图3(b)给出的是对应的等势线。

预警域的意义在于不断的发出机器人与目标的距离信息。预警域在物理意义上相当于等距面，预警域上的每一个点与目标物体的距离是相同的，当机器人进入了预警域的边界，就可以给出机器人与目标的最近距离。分级预警系统是由多级预警域组成的，每一级预警域与目标的距离是不同的，而且是呈递减趋势。预警域的生成在于计算势场的每一个等势面，也就相当于计算每一个等距面。

上述步骤S3具体包括以下步骤：

S3-1、集合U^α把物体包裹起来且是仅仅包裹，把集合U^α虚拟成一个等势体，集合U^β中每一个空间单元所受到点斥力由集合U^α所组成点等势体产生。利用公式(1)与公式(2)可以计算出集合Uβ中点每一个空间单元所受到点斥力大小。根据等势体对空间中的每一个点都产生势场的原理，计算集合U^β中的每一个空间单元与集合U^α的距离，把所有属于同一个距离的空间单元归集到一个集合

里。

$U^{d^i}=\left\{s\right|g\left(s\right)=d^i,s\∈R\}$

其中s表示空间单元，R表示空间单元集合，g是距离函数。

S3-2、根据集合

生成预警域，在同一个集合

中的空间单元属于同一级预警域。

本发明可以解决机器人与环境物体的相对位置信息实时获取。人工势场法应用于移动机器人的避碰与智能路径规划。基于人工势场法的预警域的思想在于人工生成一个虚拟势场，根据等势面的原理生成一系列的虚拟区域把物体包裹起来，当有目标进入到相应的虚拟区域时发出对应级别的警告。结合精确碰撞检测的预警域可以精确地得出预警域内是否有侵入的目标，没有侵入目标的层称为安全层，以最外安全层的距离为保守估计距离。估计距离的精度随着预警域的精细程度而变化。该方法可以对任意复杂、任意形状的虚拟物体都有效，可以使得预警域所包含的三角片数量大大减少，从而加快碰撞检测速度与界面刷新速度，并通过实验验证了该算法的有效性与高效性。

如上所述便可较好的实施本发明。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于人工势场法的动态预警域生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、空间的离散化； 

S2、空间单元的分类；

S3、生成动态预警域；

所述步骤S1包括以下步骤：步骤S1-1，利用离散的方法对物体所处的空间进行拟合，得到一系列的空间单元和离散空间点，空间离散化的细度与预警域的精度需求有关，选取的空间大小比物体尺寸大，便于动态调整；步骤S1-2，根据空间中的离散点、空间单元和空间单元边长，运用空间坐标系，定位每一个空间单元；

所述步骤S2包括以下步骤：步骤S2-1，对空间中的每个空间单元，采用12个三角片组成，其中每一个面由两个三角片构成；步骤S2-2，把离散化的空间单元分成两类，一类是空间单元与物体发生相交的，用集合                                                

表示，另外一类数空间单元与物体没有发生相交，用集合表示；采用KDops快速碰撞检测算法进行空间单元与物体点的相交测试，把所有与物体发生碰撞的空间单元归集到集合

，与物体没有发生碰撞的空间单元归集到集合

； 

所述步骤S3包括以下步骤：步骤S3-1，把集合

虚拟成一个等势体，根据等势体对空间中的每一个点都产生势场的原理，计算集合

中的每一个空间单元与集合

的距离，把所有属于同一个距离的空间单元归集到一个集合

里；步骤S3-2，根据集合

生成预警域，在同一个集合

中的空间单元属于同一级预警域。

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