CN104460666B - 一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法。环境内移动机器人移动过程中通过自身携带的测距传感器、角度传感器测得机器人到障碍物的距离矢量，对附近存在多障碍物的未知环境，始终以机器人当前位置为原点建立坐标系，通过测量机器人到障碍物边缘的距离矢量，得到避碰障碍物的转向角，得到大于机器人自身径向尺寸的两相邻障碍物间距离矢量，获取能同时避碰两相邻障碍物的机器人当前位置到两相邻障碍物间距离矢量中点构成的距离矢量，作为机器人的移动方向和通过两障碍物的移动路径，实现最大限度安全避障，及从起始点到目标点的自主避障移动。本控制模型考虑移动机器人和环境障碍物实际径向尺寸，具有实际应用意义。

Description

一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，属于移动机器人控制技术领域。

背景技术

机器人代替人类的劳动在各领域具有广阔的应用前景，机器人技术得到了广泛的研究和发展。移动机器人路径规划或导航根据机器人对工作环境场所的认知可分为已知环境的路径规划和未知环境的路径规划。已知环境的路径规划是机器人已知道环境内是否存在障碍物和障碍物的位置情况下，规划出一条从起始点到目标点路径，属于静态全局导航，算法模型已比较成熟也相对简单。未知环境内机器人路径规划是机器人对环境内是否存在障碍物及障碍物位置没有先验知识，机器人移动主要依靠环境传感器探测其探测区域内环境信息，规划出局部路径。未知环境内机器人路径规划实现自主避障移动控制是机器人控制的难点，自主避障移动控制的研究多局限于理论建模研究，如预测滚动窗口算法、使用距离代价函数确定机器人的子目标点，在障碍物分布比较复杂的环境中，机器人始终朝着离终点距离最小的障碍物边界方向行走，易发生死锁和振荡现象，其他有基于粒子群算法、模糊逻辑、模糊聚类网、神经网络等算法，但此类算法存在路径死锁或解算时间长缺点。另外对存在动态障碍物的未知环境还没有实时控制方法。现有未知环境内机器人路径规划模型的研究多是将移动机器人和环境中的障碍物视为点进行控制建模，没有考虑移动机器人和环境障碍物的实际尺寸因而缺乏实际应用性。因此，有必要研究考虑机器人和环境障碍物实际尺寸的有效的路径规划控制模型，使机器人实现未知环境内从起始点到目标点的自主避障移动控制或环境漫游。

发明内容

本发明公开了一种基于距离矢量的移动机器人自主避障移动控制方法，由计算机和移动机器人组成。始终以机器人当前位置为原点建立坐标系，通过测量机器人到障碍物边缘的距离矢量，获得避碰障碍物的转向角，计算得到大于机器人自身径向尺寸且距离矢量，获取机器人沿该矢量移动过程中同时避碰两相邻障碍物的机器人当前位置到两相邻障碍物间距离矢量中点构成的距离矢量，作为机器人移动方向和通过两障碍物的移动路径，同时避碰两相邻障碍物，实现最大限度安全避障，完成从起始点到目标点的自主避障移动。本发明控制方法计算简单，有效实用，克服了现有控制算法模型复杂且不考虑机器人和障碍物实际尺寸的缺点，本发明尤其适用于多障碍物、狭小环境空间或有动态障碍物的环境内移动避障控制。

本发明技术方案是这样实现的：

一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，由计算机控制移动机器人实现；计算机通过通信接口与移动机器人串接，实现近程或远程、有线或无线通信控制；移动机器人包括机器人控制机构、机器人本体移动机构和机器人自身携带的测距传感器、角度测量传感器；测距传感器用于测出机器人与障碍物之间的距离，角度测量传感器用于测出机器人到障碍物的距离矢量的方向。

控制方法:移动机器人控制系统首先控制测距传感器、旋转角度传感器，测量机器人到附近最近两相邻障碍物的距离矢量，计算两相邻矢量之间的夹角和两相邻障碍物之间的有效空间距离矢量，获得大于移动机器人自身尺寸的两相邻障碍物之间的有效空间距离矢量，然后获取机器人沿该矢量移动过程中同时避碰两相邻障碍物的机器人当前位置到两相邻障碍物之间的有效空间距离中点的矢量，作为机器人移动的方向和移动路径，最后控制机器人本体移动机构沿得到路径矢量方向移动，到达通过两障碍物之间有效空间距离的中点，再继续按同样的方式获得下一步移动方向和移动路径。

具体控制方法如下：

A)移动机器人以移动机器人当前位置为原点建立坐标系，以当前位置到目标点形成的矢量为移动的大方向，控制自身携带的测距传感器探测当前移动方向探测区域内的障碍物信息；如前方探测区域内没有障碍物反馈信息，则认为障碍物无限远，按当前方向在安全区域内移动；

B)有障碍物A_i的反馈信息，则顺时针或逆时针旋转测量移动机器人到障碍物边缘的距离矢量根据计算机器人避碰障碍物的A_i的最小转向角度并按同一方向继续旋转探测区域内下一个最近相邻障碍物信息；若探测区域内没有相邻障碍物，则机器人进行转向移动，避碰障碍物A_i的最小转向角度为按转动后的方向移动距离S_i后，按步骤A)方式继续；

C)若探测区域内有相邻障碍物A_j(i≠j)，则同理测出该障碍物最近相邻障碍物边缘的距离矢量计算机器人避碰相邻障碍物A_j的最小转向角θ_j，计算两相邻障碍物A_i、A_j之间有效空间距离矢量

①若两相邻障碍物A_i、A_j之间的有效空间距离R_ij小于移动机器人自身最大径向结构尺寸，则机器人移动的大方向为基准，旋转探测机器人到障碍物的边缘矢量和下一个相邻障碍物信息；按步骤B)继续；

②若两相邻障碍物A_i、A_j之间的有效空间距离R_ij大于移动机器人自身最大径向结构尺寸，则计算机器人当前位置到两相邻障碍物A_i、A_j之间的有效空间距离中点矢量计算与的夹角α_i,与的夹角α_j,若α_i≥θ_i且α_j≥θ_j，则机器人能同时避碰障碍物的A_i、A_j，则所得到的距离矢量既为机器人前移的移动路径矢量，机器人沿该矢量方向移动该矢量的距离S_ij后，到达两相邻障碍物之间的有效空间距离中点，顺利通过两障碍物空间，然后按步骤A)，继续探测下一个探测区域内的环境障碍物信息；反之，如与的夹角α_i、与的夹角α_j有小于避碰障碍物对应最小转向角θ_i、θ_j的，所得到的距离矢量不能作为机器人前移的移动路径矢量；则机器人以移动的目标方向为基准，旋转探测机器人到障碍物的边缘矢量和下一个相邻障碍物信息；按步骤B)继续；

以此类推，以机器人当前位置到两相邻障碍物之间的有效空间距离中点的矢量作为移动方向和移动路径，使移动机器人穿行在众多障碍物之间行走，实现从起始点到目标点的自主安全避障移动或未知环境内自由自主避障安全移动。

所述的机器人到附近最近两相邻障碍物的距离矢量分别为机器人到两障碍物边界切线切点的距离矢量。

步骤C)①中所述的两相邻障碍物A_i与A_j之间的有效空间距离，是指障碍物A_i、A_j的边缘最近相邻距离，表示为R_ij且：

式(1)中S_i、S_j分别为机器人到两相邻障碍物的距离，θ_ij为距离矢量之间的夹角。

当机器人移动方向区域内存在相邻障碍物A_i、A_j，机器人沿距离矢量方向行进至相邻障碍物间有效空间距离矢量中点时，为使移动机器人能同时避碰两障碍物A_i、A_j，距离矢量与和之间夹角的为α_i和α_j应同时大于对应两障碍物A_i、A_j各自对应的最小转向角θ_i，θ_j。最小转向角θ_i、θ_j与机器人到两相邻障碍物的距离矢量和的关系表示为：

式(2)中r₀为未知环境内移动机器人最大径向结构半径。

当探测区域内只有一个障碍物，或没有下一个相邻障碍物时，机器人将转向移动，避碰该障碍物的最小转动角度为相应的最小转向角。

矢量与之间夹角α_i和矢量与之间的夹角α_j分别为：

以此类推，以机器人当前位置到两相邻障碍物之间的有效空间距离中点的矢量作为移动方向和移动路径，使机器人穿行在众多障碍物之间行走，实现从起始点到目标点的自主安全避障移动或未知环境内自由自主避障安全移动。

本发明控制结构模型简单、实施方便，克服了已有机器人控制算法模型复杂且不考虑机器人和障碍物实际尺寸的缺点，本发明由于考虑了环境内移动机器人和环境障碍物的实际尺寸，可实现有效移动避障控制，具有实际应用意义，尤其适用于多障碍物、狭小环境空间或有动态障碍物的复杂环境内移动避障控制。

附图说明

图1为本发明移动机器人系统结构示意图；

图2是本发明机器人移动方向和移动路径计算原理示意图；

图3是本发明机器人由起始点移动到目标点的移动路径矢量示意图。

图3中：1、移动机器人起始点；2、移动机器人到达目标点；3、环境内障碍物。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但实施例并不用于限制本发明，凡采用本发明的相似结构、方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

基于距离矢量移动机器人系统结构如图1所示，包括计算机和移动机器人系统。计算机对环境内移动机器人进行有线或无线控制，控制移动机器人状态、移动目标点或进行环境内自由移动。移动机器人系统包括机器人控制系统、机器人本体移动机构和机器人自身携带的测距传感器、旋转角度测量传感器。移动机器人系统具有自主移动功能，由机器人控制系统分别控制器人本体移动机构和机器人自身携带的测距传感器、旋转角度测量传感器。

移动机器人距离矢量控制模型实现机理为：移动机器人首先根据目标点得到当前移动方向，控制自身携带的测距传感器向附近前进方向发射测距信号，通过旋转发射的测距信号和回传的测距信号，测量得到机器人到附近最近障碍物边界切线切点的距离，通过角度传感器发射的测距信号的方向，从而得到机器人到附近最近障碍物边界的距离矢量。如通过视觉传感器和图像处理系统获得附近最近障碍物边界切线切点的坐标，可直接获得机器人到附近最近障碍物边界切线切点的距离矢量；计算两相邻障碍物之间的有效空间距离，获得大于移动机器人自身尺寸的两相邻障碍物之间的有效空间距离，然后获得能同时避碰两相邻障碍物的机器人当前位置到两相邻障碍物之间的有效空间距离的中点所构成的矢量，作为机器人向前移动的方向和移动路径。获得移动方向和移动路径后移动机器人控制自身移动机器机构移动，到达通过该两相邻障碍物之间的有效空间距离的中点，继续进行探测区域内环境障碍物的探测，确定移动方向和移动路径到达目标点，实现环境内自由避障移动。

机器人移动方向和移动路径矢量计算原理示意图如图2所示，首先机器人根据当前位置为原点建立坐标系，机器人根据目标方向，向测距传感器发送控制测距信号到附近最近障碍物A_i，顺时针或逆时针旋转测得机器人当前位置到障碍物A_i的距离矢量依式(2)计算机器人避碰该障碍物的最小转向角，如图2(a)所示，当前探测区域内仅有一个障碍物时，机器人转向移动路径矢量避碰该障碍物的最小转向角为图2(b)为当前探测区域内有相邻障碍物，分别获得机器人到两相邻障碍物边界的距离矢量和图2(b)中所示的机器人移动方向探测区域内机器人到附近最近障碍物A₂的距离矢量为机器人到与障碍物A₂相邻的障碍物A₃的距离矢量为由依式(2)、(3)计算安全避碰障碍物的最小转向角θ_i、θ_j，由两距离矢量和的方向角可获得距离矢量和之间的夹角θ_ij，依据公式(1)计算两相邻障碍物之间的有效空间距离R_ij，如图2(b)中两相邻障碍物A₂与A₃之间的有效空间距离矢量图2(b)所示，若两相邻障碍物之间的有效空间距离R_2,3大于机器人自身径向结构尺寸2r₀，为获得最大安全避障距离空间，则依式(6)计算机器人当前位置到两障碍物之间有效距离中点的矢量

为能同时避碰两相邻障碍物，依式(4)和式(5)分别计算矢量与之间夹角α_i和矢量与之间的夹角α_j，如图2(b)中α₂和α₃。当α_i≥θ_i且α_i+1≥θ_i+1时，能同时避碰两相邻障碍物，则矢量为所求的机器人移动路径矢量，若矢量与之间夹角α_i和矢量与之间的夹角α_j有小于对应最小转向角θ_i、θ_j的，虽然两相邻障碍物间有效空间大于机器人自身径向结构尺寸，但按路径矢量移动过程中不能同时不避碰两相邻障碍物，所以不能作为机器人移动路径矢量，此时以同样的方式旋转探测区域内机器人到障碍物边缘的距离矢量和探测下一个相邻障碍物，若没有下一个相邻障碍物，则按转向路径矢量行驶，有下一个相邻障碍物，则同理获得两相邻障碍物之间的有效空间距离，如图2(b)所示，若R_2,3<2r₀,或R_2,3>2r₀但不能同时避碰两相邻障碍物，则可获得相邻障碍物有效空间距离R_2,1，或R_3,4，同理做出判断和比较，使机器人获得合适移动的路径矢量。

未知环境内基于距离矢量的移动机器人由起始点到目标点的移动如图3所示，图3中1为未知环境内移动机器人的起始点，2为未知环境内移动机器人要到达的目标点，A₁、A₂,…，A₁₁为环境内的障碍物，图3所示的矢量 和是依据本发明基于距离矢量控制模型得到机器人各移动路径矢量，机器人根据所获得的各探测区域内的移动路径矢量由起始点1沿途通过障碍物3连续移动到达目标点2。

本发明控制模型简单实用，可实现未知环境内移动机器人自主避障移动控制。

Claims (4)

1.一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，由计算机控制移动机器人实现；计算机通过通信接口与移动机器人串接，实现近程或远程、有线或无线通信控制；移动机器人包括机器人控制单元、机器人本体移动机构和机器人自身携带的测距传感器、角度测量传感器；测距传感器用于测出机器人与障碍物之间的距离，角度测量传感器用于测出机器人到障碍物距离矢量的方向，控制方法其特征在于:始终以机器人当前位置为原点建立坐标系，通过测量机器人到障碍物边缘的距离矢量，获得避碰障碍物的转向角，计算得到大于机器人自身径向尺寸且两相邻障碍物的距离矢量，并获取机器人沿该矢量移动过程中同时避碰两相邻障碍物的机器人当前位置到两相邻障碍物间距离矢量中点构成的距离矢量，作为机器人移动方向和通过两障碍物的移动路径，实现最大限度安全避障，完成从起始点到目标点的自主避障移动；具体控制方法如下：

A)移动机器人以移动机器人当前位置为原点建立坐标系，以当前位置到指定目标点形成的矢量为移动的大方向，控制自身携带的测距传感器探测当前移动方向探测区域内的障碍物信息；如前方探测区域内没有障碍物反馈信息，则认为障碍物无限远，按当前方向在安全区域内移动；

B)有障碍物A_i的反馈信息，则顺时针或逆时针旋转测量移动机器人到障碍物边缘的距离矢量根据计算机器人避碰障碍物的A_i的最小转向角度并按同一方向继续旋转探测区域内下一个最近相邻障碍物信息；若探测区域内没有相邻障碍物，则机器人进行转向移动，避碰障碍物A_i的最小转向角度为按转动后的方向移动距离S_i后，按步骤A)方式继续；

C)若探测区域内有相邻障碍物A_j(i≠j)，则同理测出该障碍物最近相邻障碍物边缘的距离矢量计算机器人避碰相邻障碍物A_j的最小转向角θ_j，计算两相邻障碍物A_i、A_j之间有效空间距离矢量

①若两相邻障碍物A_i、A_j之间的有效空间距离R_ij小于移动机器人自身最大径向结构尺寸，则以机器人移动的大方向为基准，旋转探测机器人到障碍物的边缘矢量和下一个相邻障碍物信息；按步骤B)方式继续；

②若两相邻障碍物A_i、A_j之间的有效空间距离R_ij大于移动机器人自身最大径向结构尺寸，则计算机器人当前位置到两相邻障碍物A_i、A_j之间的有效空间距离中点的矢量计算与的夹角α_i,与的夹角α_j,若α_i≥θ_i且α_j≥θ_j，则机器人能同时避碰障碍物A_i、A_j，则所得到的距离矢量 既为机器人前移的移动路径矢量，机器人沿该矢量方向移动该矢量的距离S_ij后，到达两相邻障碍物之间的有效空间距离中点，顺利通过两障碍物空间，然后按步骤A)方式继续探测下一个探测区域内的环境障碍物信息；反之，如与的夹角α_i、与的夹角α_j有小于避碰障碍物对应最小转向角θ_i、θ_j的，所得到的距离矢量不能作为机器人前移的移动路径矢量；则机器人以移动的目标方向为基准，旋转探测机器人到障碍物的边缘矢量和下一个相邻障碍物信息；按步骤B)方式继续；

以此类推，以机器人当前位置到两相邻障碍物之间的有效空间距离中点的矢量作为移动方向和移动路径，使移动机器人穿行在众多障碍物之间行走，实现从起始点到目标点的自主安全避障移动或未知环境内自由自主避障安全移动。

2.根据权利要求1所述的基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，其特征在于：所述的机器人到附近最近两相邻障碍物的距离矢量分别为机器人到两障碍物边界切线切点的距离矢量。

3.根据权利要求1所述的基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，其特征在于：步骤C)①中所述的两相邻障碍物A_i与A_j之间的有效空间距离，是指障碍物A_i、A_j的边缘最近相邻距离，表示为R_ij且：

式(1)中S_i、S_j分别为机器人到两相邻障碍物的距离，θ_ij为距离矢量 之间的夹角。

4.根据权利要求1所述的基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，其特征在于：当机器人移动方向区域内存在相邻障碍物A_i、A_j，机器人沿距离 矢量的方向行进至相邻障碍物间有效空间距离矢量中点时，为使移动机器人能同时避碰两障碍物A_i、A_j，距离矢量与和之间夹角的为α_i和α_j应同时大于对应两障碍物A_i、A_j各自对应的最小转向角θ_i，θ_j，最小转向角θ_i、θ_j与机器人到两相邻障碍物的距离矢量和的关系表示为：

式(2)中r₀为未知环境内移动机器人最大径向结构半径，

当探测区域内只有一个障碍物，或没有下一个相邻障碍物时，机器人将转向移动，避碰该障碍物的最小转动角度为相应的最小转向角。