CN105511458A - 自动行走设备及其路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种路径规划方法及执行该路径规划方法的自动行走设备。所述路径规划方法根据自动行走设备的工作区域的边界信息规划自动行走设备在工作区域内的行走路径，所述路径规划方法包括：a)存储所述工作区域的边界信息；b)对由边界信息限定的区域进行子区域划分，生成若干个子区域；c)确认每个子区域的相邻子区域及每个子区域的中心点，子区域的中心点与其相邻子区域的中心点可以通过连接线相互连通；d)生成将所有中心点连通的连接线的集合；e)根据所述连接线的集合规划自动行走设备的行走路径，所述行走路径无重叠，沿所述路径行走的自动行走设备遍历边界信息限定的区域。如此能够提高自动行走设备的工作效率。

Description

自动行走设备及其路径规划方法

技术领域

本发明涉及一种对自动行走设备的行走路径进行规划的路径规划方法。

本发明还涉及一种执行上述路径规划方法的自动行走设备。

背景技术

自动行走设备无需人工操作便可以实现自动工作，比如自动割草机或自动吸尘器，实现了将用户从割草或清除灰尘等日常劳作中解放出来，给用户带来了极大的便利。

现有的自动行走设备一般是按照随机的方式在工作区域内行走并工作，此种路径行走方式使得自动行走设备在工作区域内的某一个区域极少出现，或在某一个区域内经常出现，导致工作区域内各区域的工作质量不同，若要达到相同的工作质量，需要更长的工作时间，因此，此种自动行走设备的工作效率低。为提高自动行走设备的工作效率，需提出一种能使自动行走设备遍历整个工作区域且行走路径无重叠的路径规划方法，及执行该路径规划方法的自动行走设备。

发明内容

本发明提供一种能够提升自动行走设备的工作效率的路径规划方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种自动行走设备的路径规划方法，所述路径规划方法规划自动行走设备在工作区域内的行走路径，所述路径规划方法包括：a)存储表征所述工作区域的边界的边界信息；b)对由边界信息限定的区域进行子区域划分，生成若干个子区域；c)确认每个子区域的相邻子区域及每个子区域的中心点，子区域的中心点与其相邻子区域的中心点可以通过连接线相互连通；d)生成将所有中心点连通的连接线的集合；e)根据所述连接线的集合规划自动行走设备的行走路径，所述行走路径无重叠，沿所述行走路径行走的自动行走设备遍历边界信息限定的区域。

优选的，所述连接线的集合为最小生成树。

优选的，根据连接线连接的中心点至边界的距离为每条连接线分配权重。

优选的，先根据与连接线平行的边界的长度对每条连接线分配权重，然后根据与该连接线连接的中心点至边界的距离对每条连接线分配权重。

优选的，自动行走设备的工作头具有工作宽度，步骤b)中，所述子区域的宽度与工作头的工作宽度相关。

优选的，所述子区域的宽度是自动行走设备的工作头的工作宽度的1～2倍。

优选的，所述子区域为正方形。

优选的，步骤c)中，确认每个子区域具有上、下、左、右四个相邻子区域。

本发明还提供一种执行上述路径规划方法的自动行走设备，包括：工作头，执行预设工作内容；存储模块，存储表征所述工作区域的边界的边界信息；子区域划分模块，接收存储模块传递的边界信息，对由边界信息限定的区域进行子区域划分，生成若干个子区域；主控模块，接收子区域划分模块传递的信息，确认每个子区域的相邻子区域及每个子区域的中心点，子区域的中心点与其相邻子区域的中心点可以通过连接线相互连通，并生成将所有中心点连通的连接线的集合；路径规划模块，接收主控模块传递的信息，根据所述连接线的集合规划自动行走设备的行走路径，所述行走路径无重叠，沿所述行走路径行走的自动行走设备遍历边界信息限定的区域。

优选的，所述连接线的集合为最小生成树。

优选的，主控模块进一步包括权重分配组件，所述权重分配组件为每一条连接线分配权重。

优选的，权重分配组件根据连接线连接的中心点至边界的距离对该连接线分配权重。

优选的，权重分配组件先根据与连接线平行的边界的长度对每条连接线分配权重，然后根据与该连接线连接的中心点至边界的距离对每条连接线分配权重。

优选的，所述工作头具有工作宽度，所述子区域的宽度与工作头的工作宽度相关。

优选的，所述子区域的宽度是工作头的工作宽度的1～2倍。

优选的，所述子区域为正方形。

优选的，主控模块确认每个子区域具有上、下、左、右四个相邻子区域。

与现有技术相比，本发明的路径规划方法及自动行走设备能够使自动行走设备在整个工作区域内实现全覆盖，且行走路径无重叠，从而提高自动行走设备在工作区域内的工作效率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明自动工作系统的示意图。

图2是图1所示的自动行走设备的电路框图。

图3是自动行走设备对边界信息限定的区域进行子区域划分的结果示意图。

图4是自动行走设备生成最小生成树的第一种较佳实施方式的示意图。

图5是自动行走设备生成最小生成树的第二种较佳实施方式的示意图。

图6是自动行走设备根据最小生成树规划的行走路径。

图7是图自动行走设备的工作流程图。

其中，

1自动行走设备11路径规划模块

2工作区域13子区域

3边界15中心点

5存储模块17连接线

7子区域划分模块19行走路径

9主控模块19a,19b子行走路径

10权重分配组件

具体实施方式

如图1所示的自动工作系统包括工作区域2，限定工作区域2的边界3，以及位于工作区域2内的自动行走设备1。

边界3为预先设定的工作区域2的外围轮廓，可以是自然标识形成的边界，如草地与非草地之间的交界线，也可以是人为标识形成的边界，如设置在地面的边界线，还可以是任意给定的虚拟边界，如一个大的工作区域内的一个特定的小区域的边界。

如图2所示，自动行走设备1包括工作头、存储模块5、子区域划分模块7、主控模块9以及路径规划模块11。工作头执行预设工作内容。举例说明，当自动行走设备1为割草机时，工作头为切割部件，执行割草工作；当自动行走设备1为吸尘器时，工作头为吸尘部件，执行吸尘工作。存储模块5，存储表征工作区域2的边界3的边界信息；子区域划分模块7，接收存储模块5传递的边界信息，对由边界信息限定的区域进行子区域13划分，生成若干个子区域13，确认每个子区域13的相邻子区域13及每个子区域13的中心点15，相邻子区域13的中心点15可以通过连接线17相互连通；主控模块9，接收子区域划分模块7传递的信息，生成连通所有中心点15的连接线17的集合；路径规划模块11，接收主控模块9传递的信息，根据连接线17的集合规划自动行走设备1的行走路径19，行走路径19无重叠，沿行走路径19行走的自动行走设备1遍历整个工作区域2。行走路径19为自动行走设备1按照行走路径19行走时，其工作头的中心轴线所形成的轨迹。行走路径19无重叠指行走路径19之间无重合或交叉。

存储模块5存储表征的工作区域2的边界的边界信息优选为坐标信息，这有利于子区域划分模块7识别出由边界信息限定的区域，并对其进行子区域13划分。坐标信息的来源可以是由其他设备将已经获得的边界3的坐标信息传输进来的，也可以是自动行走设备1沿边界3行走一圈时通过位置传感器获得的，还可以是根据其他设备传送的图片信息进行分析获得边界3的坐标信息。

子区域划分模块7，接收存储模块5传递的边界信息，对由边界信息限定的区域进行子区域13划分，生成若干个子区域13，并确认每个子区域13的中心点15。子区域13可以为任意规则的形状。优选的，子区域13的宽度与工作头的工作宽度相关。工作头的工作宽度为工作头工作时其在与自动行走设备1的行走方向的垂直方向上的加工尺寸。举例说明，当自动行走设备1为割草机时，工作头的工作宽度为工作头的切割直径；当自动行走设备1为吸尘器时，工作头的工作宽度为吸尘口的长度。优选的，子区域13为长度与宽度相同的正方形。当子区域13为正方形时，对边界信息限定的区域进行子区域13划分的结果如图3所示。优选的，正方形的边长，即单条连接线17的长度，是自动行走设备1的工作头的工作宽度的1～2倍。

图3中，在子区域13为正方形的情况下，每个子区域13在物理位置上有8个相邻正方形，在逻辑上，子区域划分模块7可以认为每个子区域13仅有上、下、左、右4个相邻子区域13，也可以认为每个子区域13有上、下、左、右、左上、右上、左下、右下8个相邻子区域13。子区域划分模块7在逻辑上确认每个子区域13的相邻子区域13，使得只有逻辑上相邻的子区域13的中心点15可以通过连接线17相互连通，而逻辑上非相邻的子区域13的中心点15之间不可以通过连接线17相互连通，即使其在物理位置上相邻，其中心点15也不可以通过连接线17相互连通。在此需要说明的是，当子区域13为三角形等其他特殊形状时，其物理位置上相邻的子区域13为任意其他个数，如12个、6个等，此时，在逻辑上相邻的子区域13可以根据自动行走设备1行走角度的需求任意设定。

主控模块9接收子区域划分模块7传递的信息，生成连通所有中心点15的连接线17的集合。连接线17的集合可以是最小生成树，还可以是旅行商路径。最小生成树是指通过最少的连接线17将图中所有的中心点15相互连通。旅行商路径是指每个中心点15遍历一次，最后返回到起点的最短路径。

主控模块9还进一步包括权重分配组件10。权重分配组件10的作用为在最小生成树及旅行商路径的生成过程中，对每条连接线17分配权重。在此需要指出的是，分配权重的方法不同，获得的最小生成树或旅行商路径的形状不同。在此，典型地以生成“八爪鱼”形最小生成树和“鱼刺”形最小生成树为例，分别介绍两种权重分配的方法。

以“八爪鱼”形最小生成树为例。首先，权重分配组件10根据中心点15到边界3的距离对连接两个中心点15的连接线17进行权重分配。然后，主控模块9确定边界信息限定的区域中最中心的中心点15为原点，寻找权重最小的连接线17连通其他中心点15，直到将所有中心点15连通，从而获得最小生成树。当数条连接线17的权重相同时，按照预设的规则对连接线17进行选择。当发现已有一条连接线17将某一中心点15与原点连接时，舍弃其他权重相同的连接线17，以避免环路的出现。根据该规则，将图3中所有中心点15连通的最小生成树如图4所示。

以“鱼刺”形最小生成树为例。首先，权重分配组件10根据与连接线17平行的边界3的长度对每条连接线17分配权重。随后，主控模块9从中选出权重较小的与边界3的长度方向垂直的连接线17。然后权重分配组件10再对与边界3的长度方向平行的连接线17按照第二种方法分配权重。该第二权重分配方法为，根据连接线17连接的中心点15至边界3的距离分配权重。由此，主控模块9在与边界3的长度方向平行的连接线17中，选出离边界3较远的连接线17。最后生成如图5所示的最小生成树。

本领域技术人员可以理解的是，还可以通过克鲁斯卡尔算法生或普里姆算法生成最小生成树。

在旅行商路径生成的过程中，可以通过途程建构法从距离矩阵中产生一个近似最佳解的途径的方法进行求解，也可以通过途程改善法先给定一个可行途程，然后进行改善，一直到不能改善为止的方法进行求解，还可以通过合成启发法先由途程建构法产生起始途程，然后再使用途程改善法去寻求最佳解的方法进行求解。

以下以“八爪鱼”形最小生成树为例对路径规划进行说明。路径规划模块11，接收主控模块9传递的最小生成树的信息，沿最小生成树的边界3规划自动行走设备1的行走路径19，规划结果如图6所示。

在以最小生成树为连通所有中心点15的连接线17的集合的方案下，正方形的边长，即单条连接线17的长度，优选为自动行走设备1的工作头的工作宽度的1～2倍。更为优选的是，正方形的边长优选为自动行走设备1的工作头的工作宽度的1.5倍。此种设计使得自动行走设备1根据图6所示的路径行走并工作时，工作头覆盖的区域仅在两个相邻路径的公共区域有部分冗余量的设计，保证了工作头可以对整个工作区域2进行全覆盖，同时又不会导致对同一个区域有过多的重复工作。具体的，假设工作头的工作宽度W＝A，正方形的边长B＝L。由于正方形的边长为工作头的工作宽度的1.5倍，因此L＝1.5A。由于子区域13的宽度即正方形的边长为L，因此两个相邻子区域13的中心点之间的距离为L。由于连接线17连接的是两个相邻子区域13的中心点，因此连接线17的长度为L。另外，由图6可知，每个间距为L的区域，均规划了两个相互平行且行走方向相反的子行走路径19a和19b，因此沿该两个子行走路径19a和19b行走的自动行走设备1的工作头加工的宽度之和为2A。由前述可知，L＝1.5A，而1.5A<2A，因此沿该两个子行走路径19a和19b行走的自动行走设备1覆盖了整个子区域13。由于自动行走设备1沿子行走路径19a和19b行走可以覆盖子区域13，则自动行走设备1沿行走路径19行走，就可以实现对整个工作区域的覆盖。

以下结合图7对自动行走设备1的工作流程进行说明。

进入步骤S0：对自动行走设备1进行初始化。

随后进入步骤S2：获取自动行走设备1即将工作的工作区域2的边界信息。获取的方式可以是由其他设备将已经获得的边界3的坐标信息传输进来的，也可以是自动行走设备1沿边界3行走一圈时通过位置传感器获得的，还可以是根据其他设备传送的图片信息进行分析获得边界3的坐标信息。

随后进入步骤S4：对由边界信息限定的区域进行子区域13划分，生成若干个子区域13。子区域13可以为任意规则的形状，优选的，子区域13为长度与宽度相同的正方形。更为优选的，子区域13的宽度与自动行走设备1的工作头的工作宽度相关。最为优选的是，子区域13的宽度为自动行走设备1的工作头的工作宽度的1～2倍，其中1.5倍为优选方案。

随后进入步骤S6：确定每个子区域13的相邻子区域13及每个子区域13的中心点15。确定相邻子区域13的意义在于，相邻的子区域13的中心点15可以通过连接线17相互连通，而非相邻的子区域13的中心点15不能通过连接线17相互连通。如前所述，当子区域13为正方形时，在物理位置上，每个子区域13有8个相邻的子区域13，但在逻辑上，可以认为每个子区域13仅有上、下、左、右4个相邻子区域13，也可以认为每个子区域13有上、下、左、右、左上、右上、左下、右下8个相邻子区域13。当确定每个子区域13有4个相邻的子区域13时，连通子区域13的中心点15的连接线17为横平竖直的直线，以此为基础的行走路径19也为横平竖直的直线；当确定每个子区域13有8个相邻的子区域13时，连通子区域13的中心点15的连接线17包含横平竖直的直线以及倾斜的直线，以此为基础的行走路径19也既包含横平竖直的直线也包含倾斜的直线。在此可以根据设计者的需要自由选择确定确定每个子区域13的相邻子区域13的个数。

随后进入步骤S8：根据步骤S6的结果，生成连通所有中心点15的连接线17的集合。连接线17的集合可以是最小生成树，还可以是旅行商路径。具体生成方法参见前述对自动行走设备1的结构进行说明的部分。

随后进入步骤S10：根据连接线17的集合规划自动行走设备1的行走路径19，行走路径19无重叠，沿行走路径19行走的自动行走设备1遍历边界信息限定的区域。当连接线17的集合为最小生成树时，行走路径19为包络最小生成树的路径。当连接线17的集合为旅行商路径时，行走路径19即为旅行商路径。

本领域技术人员可以想到的是，本发明还可以有其他的实现方式，但只要其采用的技术精髓与本发明相同或相近似，或者任何基于本发明作出的变化和替换都在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种自动行走设备的路径规划方法，所述路径规划方法规划自动行走设备在工作区域内的行走路径，其特征在于，所述路径规划方法包括：

a)存储表征所述工作区域的边界的边界信息；

b)对由边界信息限定的区域进行子区域划分，生成若干个子区域；

c)确认每个子区域的相邻子区域及每个子区域的中心点，子区域的中心点与其相邻子区域的中心点可以通过连接线相互连通；

d)生成将所有中心点连通的连接线的集合；

e)根据所述连接线的集合规划自动行走设备的行走路径，所述行走路径无重叠，沿所述行走路径行走的自动行走设备遍历边界信息限定的区域。

2.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，所述连接线的集合为最小生成树。

3.根据权利要求2所述的路径规划方法，其特征在于，根据连接线连接的中心点至边界的距离为每条连接线分配权重。

4.根据权利要求2所述的路径规划方法，其特征在于，先根据与连接线平行的边界的长度对每条连接线分配权重，然后根据与该连接线连接的中心点至边界的距离对每条连接线分配权重。

5.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，自动行走设备的工作头具有工作宽度，步骤b)中，所述子区域的宽度与工作头的工作宽度相关。

6.根据权利要求5所述的路径规划方法，其特征在于，所述子区域的宽度是工作头的工作宽度的1～2倍。

7.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，所述子区域为正方形。

8.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，步骤c)中，确认每个子区域具有上、下、左、右四个相邻子区域。

9.一种自动行走设备，规划其在工作区域内的行走路径，其特征在于，所述自动行走设备包括，

工作头，执行预设工作内容；

存储模块，存储表征所述工作区域的边界的边界信息；

子区域划分模块，接收存储模块传递的边界信息，对由边界信息限定的区域进行子区域划分，生成若干个子区域；

主控模块，接收子区域划分模块传递的信息，确认每个子区域的相邻子区域及每个子区域的中心点，子区域的中心点与其相邻子区域的中心点可以通过连接线相互连通，并生成将所有中心点连通的连接线的集合；

路径规划模块，接收主控模块传递的信息，根据所述连接线的集合规划自动行走设备的行走路径，所述行走路径无重叠，沿所述行走路径行走的自动行走设备遍历边界信息限定的区域。

10.根据权利要求9所述的自动行走设备，其特征在于，所述连接线的集合为最小生成树。

11.根据权利要求10所述的自动行走设备，其特征在于，主控模块进一步包括权重分配组件，所述权重分配组件为每一条连接线分配权重。

12.根据权利要求11所述的自动行走设备，其特征在于，权重分配组件根据连接线连接的中心点至边界的距离对该连接线分配权重。

13.根据权利要求11所述的自动行走设备，其特征在于，权重分配组件先根据与连接线平行的边界的长度对每条连接线分配权重，然后根据与该连接线连接的中心点至边界的距离对每条连接线分配权重。

14.根据权利要求9所述的自动行走设备，其特征在于，所述工作头具有工作宽度，所述子区域的宽度与工作头的工作宽度相关。

15.根据权利要求14所述的自动行走设备，其特征在于，所述子区域的宽度是工作头的工作宽度的1～2倍。

16.根据权利要求9所述的自动行走设备，其特征在于，所述子区域为正方形。

17.根据权利要求9所述的自动行走设备，其特征在于，主控模块确认每个子区域具有上、下、左、右四个相邻子区域。