CN106610664A - 运动避障装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人运动控制领域，尤其涉及一种运动避障装置及控制方法，包括：在运动避障装置移动时，采集所述运动避障装置周围的环境信息；将所述环境信息与预存的环境地图相匹配，确定所述环境中的障碍物；确定所述障碍物的位置、移动速度及方向；根据所述障碍物与所述运动避障装置位置、移动速度及方向计算所述障碍物是否会与所述运动避障装置碰撞；如果所述障碍物会与所述运动避障装置碰撞，根据所述障碍物与所述运动避障装置位置、移动速度及方向规划避障路径；及控制所述运动避障装置从原行进路线进入所述避障路径，以使所述运动避障装置不与所述障碍物碰撞。利用本发明的运动避障装置及控制方法可以避免所述运动避障装置发送碰撞。

Description

运动避障装置及控制方法

【技术领域】

本发明涉及机器人运动控制领域，尤其涉及一种使用麦克纳姆轮式底盘的运动避障装置及控制方法。

【背景技术】

在机器人学和人工智能的迅速发展的今天，智能机器人的研究得到了更多更广泛的重视，其中，怎样增强机器人的自主避障性能成为这些年来研究的主要课题之一。传统的机器人一般采用轮式底盘，采用的避障方法主要包括在遇到移动障碍物时停止等待，然后控制底盘轮子转向，移动绕过障碍物等。这种避障方法虽然避免了机器人与移动障碍物的碰撞，但也使得机器人只要遇到移动障碍物就得走走停停，乃至于寸步难行，极大地影响了机器人的整体移动速度。因此，如何使机器人的移动变得更加高效，避障效果更好，成了一个亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题如何使机器人的移动变得更加高效，避障效果更好。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案

一方面，本发明提供一种运动避障装置，能够在移动遭遇移动障碍物时，自动改变移动路径，绕开所述障碍物，并在绕开所述障碍物后自动还原所述移动路径，避免所述移动障碍物影响其移动。

在一些实施例中，所述的运动避障装置，包括电气连接的麦克纳姆轮式底盘、麦克纳姆轮、驱动单元、激光感应器、控制板卡、急停开关及电机，所述控制板卡包括一处理单元，该处理单元包括：采集模块，用于在运动避障装置移动时，利用所述激光感应器采集所述运动避障装置周围的环境信息；匹配模块，用于将所述环境信息与预存的环境地图相匹配，确定所述环境中的障碍物；确定模块，用于确定所述障碍物的位置、移动速度及方向；判断模块，用于根据所述障碍物与所述运动避障装置位置、移动速度及方向计算所述障碍物是否会与所述运动避障装置碰撞；规划模块，用于在所述障碍物会与所述运动避障装置碰撞时，根据该障碍物与所述运动避障装置位置、移动速度及方向规划避障路径；及移动模块，用于控制所述运动避障装置从原行进路线进入所述避障路径，以使所述运动避障装置不与所述障碍物碰撞。

另一方面，本发明提供一种运动避障装置控制方法，能够在所述运动避障装置的移动遭遇障碍物时，自动控制该运动避障装置改变移动路径，以绕开所述障碍物，并在绕开所述障碍物后自动还原所述移动路径，避免所述障碍物影响所述运动避障装置的移动。

在一些实施例中，所述的运动避障装置控制方法，包括：采集步骤，在运动避障装置移动时，采集所述运动避障装置周围的环境信息；匹配步骤，将所述环境信息与预存的环境地图相匹配，确定所述环境中的障碍物；确定步骤，确定所述障碍物的位置、移动速度及方向；判断步骤，根据所述障碍物与所述运动避障装置位置、移动速度及方向计算所述障碍物是否会与所述运动避障装置碰撞；规划步骤，如果所述障碍物会与所述运动避障装置碰撞，根据所述障碍物与所述运动避障装置位置、移动速度及方向规划避障路径；及移动步骤，控制所述运动避障装置从原行进路线进入所述避障路径，以使所述运动避障装置不与所述障碍物碰撞。

本发明的有益效果在于本发明利用激光扫描技术不断采集运动避障装置周围的环境信息，确定该环境中的障碍物的运动状态，用以判断该障碍物是否会与所述运动避障装置碰撞。并在该障碍物可能与所述运动避障装置相撞时，规划出避障路径以使所述运动避障装置不被碰撞，保证所述运动避障装置的安全。

【附图说明】

图1是本发明运动避障装置较佳实施例的硬件架构示意图。

图2是本发明运动避障装置控制系统较佳实施例的功能模块图。

图3是本发明运动避障装置控制方法较佳实施例的实施流程图。

图4A-4B是本发明运动避障装置与障碍物的示意图。

图5是本发明障碍物经过运动避障装置的行进路线的示意图。

图6是本发明运动避障装置的避障路径示意图。

附图标记：

运动避障装置	10
		麦克纳姆轮式底盘	1
麦克纳姆轮	2
		驱动单元	3
激光感应器	4
		控制板卡	5
急停开关	6
		电机	7
运动避障装置控制系统	20
		计算模块	21
采集模块	22
		匹配模块	23
确定模块	24
		判断模块	25
规划模块	26
		移动模块	27

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参阅图1所示，是本发明所述的运动避障装置10的硬件架构示意图。在本实施例中，所述的运动避障装置10包括，但不仅限于，麦克纳姆轮式底盘1、麦克纳姆轮2、驱动单元3、激光感应器4、控制板卡5、急停开关6及电机7。所述运动避障装置10的部件1-7相互电气连接。

所述麦克纳姆轮2是一种可全方位位移的轮，用以实现所述运动避障装置10的直行、横移、转向等全方位的位移。所述驱动单元3用于接收所述控制板卡5的控制指令，控制所述运动避障装置10上配备的马达、电机7等动力元件执行特定的动作，例如减速、加速或转向等。所述激光感应器4用于利用激光扫描技术实时采集所述运动避障装置10周围的环境信息，并反馈至所述控制板卡5。所述控制板卡5至少包括一存储单元51及一处理单元52，所述存储单元51用于存储预先编制的程序代码(例如本发明所述的运动避障装置控制系统20)及环境地图等。所述处理单元52用于执行所述预先编制的程序代码，实现所述运动避障装置10的功能。例如对所述激光感应器4采集的环境信息进行分析处理，判断所述环境中是否存在与所述环境地图不一致的地方(即障碍物)等。所述急停开关6用于当障碍物与所述运动避障装置10之间的距离小于预设的安全距离时，对所述运动避障装置10实施紧急制动，防止该运动避障装置10与所述障碍物碰撞。所述电机7用于通过调节所述运动避障装置10移动速度或移动方向，改变所述运动避障装置10的行进路线，以避开所述障碍物。

参阅图2所示，是本发明所述的运动避障装置控制系统20较佳实施例的功能模块示意图。在本实施例中，所述运动避障装置控制系统20可以被分割成一个或多个模块，所述一个或多个模块被存储在所述控制板卡5的存储单元51中，并被配置成由一个或多个处理器(本实施例为所述控制板卡5的处理单元52)执行，以完成本发明。例如，在图2中，所述运动避障装置控制系统20被分割成计算模块21、采集模块22、匹配模块23、确定模块24、判断模块25、规划模块26及移动模块27。本发明所称的模块是能够完成一特定功能的程序段，比程序更适合于描述软件在所述运动避障装置10中的执行过程。以下将结合图3的流程图来详细描述模块21-27的具体功能。

参阅图3所示，是本发明所述的运动避障装置控制方法较佳实施例的流程图。根据不同的需求，图3所示的流程图中的步骤的执行顺序可以改变，某些步骤可以省略。

步骤S31，在运动避障装置10移动时，计算模块21根据所述运动避障装置10的移动速度及电机7的参数，计算该运动避障装置10的最小制动距离。

在本实施例中，所述最小制动距离是指所述运动避障装置10在紧急制动的情况下从开始制动到完全静止期间移动的距离。该最小制动距离可以通过以下公式计算得出：

(1)F＝T*R*η；

(2)a＝F/m；

(3)S＝V2/2a；

其中，公式(1)的F为所述电机7的制动力，T为该电机7的扭矩，R为该电机7的轮径，η为该电机7的转化效率。公式(2)中的a为所述电机7的制动加速度，m为所述运动避障装置10的质量或者所述麦克纳姆轮式底盘1的质量(两者近似)。公式(3)中的S为所述最小制动距离，V为所述运动避障装置10的移动速度。

在本实施例中，所述最小制动距离可以用来衡量所述运动避障装置10是否会与其行进路线上的静止的障碍物相撞。具体地，若所述运动避障装置10与其行进路线上静止的障碍物之间的距离不小于所述最小制动距离，则只要紧急制动及时，该运动避障装置10就可以避免与所述障碍物相撞。反之，若所述运动避障装置10与其行进路线上静止的障碍物之间的距离小于所述最小制动距离，则不管紧急制动是否及时，该运动避障装置10均会与所述障碍物相撞。因此，为保证所述运动避障装置10不碰撞，可以设定1.5倍所述最小制动距离值为该运动避障装置10的安全距离。用以在发现所述运动避障装置10的行进路线上1.5倍所述最小制动距离处存在静止的障碍物时，对所述运动避障装置10进行紧急制动，以避免碰撞。当然，所述安全距离并不仅限于上述的设定值，在本发明的其他实施例中，所述安全距离还可以是其他任意适宜的设定值。

步骤S32，采集模块22控制所述运动避障装置10的激光感应器4以预设的频率采集所述运动避障装置10周围的环境信息。所述预设的频率可以是每25ms采集一次或者其他任意适宜的频率。所述激光感应器4还可以是红外线感应器等。

一般地，所述激光感应器4在正常工作时，会向所述环境的多个方向同时发射的激光信号，当某个方向存在障碍物时，该方向的激光信号会从该障碍物的表面反射回来，并被所述激光感应器4接收，得到该障碍物表面大量的密集的点的坐标、反射率和纹理等信息，进而形成二维或者三维的地形环境数字模型。所述激光感应器4根据所述二维或者三维的地形环境数字模型可以得到该方向的环境信息。例如，该方向存在的障碍物的形状大小、该障碍物与所述运动避障装置10之间的距离等。

步骤S33，匹配模块23将所述激光感应器4采集的环境信息与预先存储在存储单元51中的环境地图进行匹配，用以确定所述运动避障装置10的周围是否存在障碍物。如果所述运动避障装置10的周围存在障碍物，进入步骤S34；否则，返回步骤S32。需要说明的是，在本实施例中，当所述环境信息与所述环境地图存在不一致的地方时，所述匹配模块23判定该不一致的地方存在障碍物。所述障碍物的数量可以是一个，也可以是多个。

步骤S34，确定模块24根据所述环境信息确定所述障碍物的位置、移动速度及移动方向。

如图4A-4B所示，假设所述运动避障装置10以4m/s的速度自南向北移动。在某一时刻，该运动避障装置10的激光感应器4侦测到西北方向5米处存在一障碍物B(如图4A)，1秒后，所述激光感应器4再次侦测到该障碍物B，且该障碍物B位于所述运动避障装置10的正西方向2米处(如图4B)。则，通过简单的数学计算后，所述确定模块24可以确定所述障碍物B的移动速度为1m/s，方向为自西向东。

需要说明的是，在本实施例中，所述确定模块24对所述障碍物的移动速度及移动方向的确定并不仅进行一次。所述确定模块24会每一次在所述激光感应器4更新采集的环境信息时，根据新的环境信息重新对所述障碍物的移动速度及移动方向进行确定，以防止所述障碍物在移动时运动状态突然发生改变。

步骤S35，判断模块25根据所述障碍物的位置、移动速度及移动方向判断该障碍物是否会与所述运动避障装置10碰撞。当所述障碍物会与所述运动避障装置10碰撞时，进入步骤S36；否则，返回步骤S32。具体判断方法如下：

首先，所述判断模块25根据所述障碍物的移动速度和移动方向，判断该障碍物是否经过所述运动避障装置10的行进路线。例如，在图4A中，如果障碍物B的移动速度为1m/s，移动方向为自西向东，则很明显地，该障碍物B会在3秒后经过所述运动避障装置10的行进路线。其次，所述判断模块25根据所述运动避障装置10的移动速度，计算所述障碍物经过所述行进路线时，该运动避障装置10在所述行进路线上的位置。如图5所示，当所述障碍物B以1m/s的速度在3秒后自西向东经过所述行进路线时，所述运动避障装置10将移动至所述行进路线上距离其第一位置(虚线位置)12米的地方(实线位置)。最后，所述判断模块25根据所述障碍物经过所述行进路线时，所述运动避障装置10与所述障碍物之间的位置关系，判断所述运动避障装置10是否会与该障碍物发送碰撞。例如，在图5中，当障碍物B经过所述运动避障装置10的行进路线时，该运动避障装置10早已离开所述障碍物所经过的位置，因此，很明显地，所述运动避障装置10不会与所述障碍物B碰撞。需要说明的是，当所述障碍物的移动速度或移动方向发生改变时，所述判断模块25会重新对该障碍物的上述移动状态进行判断。此外，虽然上述判断过程仅描述了所述环境中存在一个障碍物时的场景，但是，该判断过程也同样适用于所述环境中存在多个障碍物时的场景，具体步骤与上述描述类似，此处不再赘述。

步骤S36，规划模块26根据所述障碍物经过所述行进路线时，所述运动避障装置10与所述障碍物之间的位置关系，规划出一条或多条避障路径，以使所述运动避障装置10不会与所述障碍物发送碰撞。

假设在图5中，所述障碍物B的移动方向不变，移动速度不是1m/s而是3m/s，则明显地，该障碍物B会在1秒后，图6中该障碍物B所处的位置与所述运动避障装置10碰撞。为避免所述碰撞，如图6所示，所述规划模块26需要规划出不同于原定行进路线的避障路径(例如图6所示的L₁或者L₂)，以使所述运动避障装置10能够绕过所述障碍物B移动。显而易见地，所述避障路径可以不止一条，该避障路径可以是从所述原有行进路线的左方绕过所述障碍物B，也可以是从所述原有行进路线的右方绕过所述障碍物B等。例如，所述规划模块26可以规划出一条形如L₁的梯形避障路径，该梯形避障路径的第一部分与所述运动避障装置10原行进路线成45°角，第二部分与所述原行进路线平行，第三部分与所述原行进路线成135°角，最后回归所述运动避障装置10的原行进路线。

需要注意的是，在本实施例中，所述避障路径不仅包括所述运动避障装置10在原行进路线上移动时遭遇障碍物后规划的避障路径，还包括该运动避障装置10在所述避障路径上移动时遭遇障碍物后规划的避障路径。也就是说，所述规划模块26规划所述运动避障装置10的避障路径的动作是持续性的，只要所述运动避障装置10遭遇可能与之碰撞的障碍物，则不管所述运动避障装置10是在原行进路线上移动还是在所述避障路径上移动，所述规划模块26均会对所述运动避障装置10进行规划所述避障路径的动作，以保障该运动避障装置10不会被撞。此外，若所述环境过于复杂或障碍物过多，导致所述规划模块26无法及时规划出所述避障路径时，所述规划模块26会在所述运动避障装置10与所述障碍物之间的距离大于所述安全距离时，控制所述电机7使该运动避障装置10减速。并在所述运动避障装置10与所述障碍物之间的距离缩小到所述安全距离时，控制所述运动避障装置10发出障碍警报声，并利用所述急停开关6紧急制动该运动避障装置10，直到所述避障路径被规划出来。

步骤S37，移动模块27控制所述电机7改变所述运动避障装置10的移动速度和移动方向，使所述运动避障装置10沿着所述避障路径中的一条路径移动，以绕开所述障碍物。

需要说明的是，在本实施例中，所述移动模块27是通过控制所述电机7在与所述原行进路线垂直的方向上增加速度分量来改变所述运动避障装置10的移动速度和方向的。这样的方式，可以保证所述运动避障装置10在原行进路线上的速度分量在避障的过程中不会发生变化，所述运动避障装置10的在原行进路线上的移动不受到影响。例如，在图6中，所述移动模块27可以控制所述电机7在与原行进路线垂直的方向上给所述运动避障装置10增加一个速度分量，该速度分量与所述运动避障装置10在原行进路线的速度大小相同。这样，可以使所述运动避障装置10沿着与原行进路线成45°角的避障路线L₁移动。当所述运动避障装置10的横向位移X足够避开所述障碍物B(例如大于所述障碍物B的横向宽度的一半)时，所述移动模块27控制所述电机7移除之前在所述运动避障装置10上增加的速度分量，以使所述运动避障装置10沿与所述原行进路线平行的路径移动。此时，所述运动避障装置10的移动速度即为该运动避障装置10在原行进路线上的速度分量。当所述运动避障装置10的纵向位移Y足够绕过所述障碍物B(例如大于所述障碍物B的纵向厚度)时，所述移动模块27控制所述电机7在所述运动避障装置10上增加一个与已移除的速度分量大小相同但方向相反的速度分量，以使所述运动避障装置10沿与原行进路线成135°角的路径移动，逐渐回归原行进路线。

步骤S38，当所述运动避障装置10绕过所述障碍物，成功回归原行进路线时，所述移动模块27控制所述电机7移除所述运动避障装置10增加的速度分量，使所述运动避障装置10按原行进路线移动。

从上述步骤可知，本发明在运动避障装置10移动时，利用激光扫描技术不断采集所述运动避障装置10周围的环境信息，以确定该环境中的障碍物的运动状态，进而根据该障碍物的运动状态判断该障碍物是否会与所述运动避障装置10碰撞。并在该障碍物可能与所述运动避障装置10相撞时，规划一条避障路径以避免所述碰撞，保证所述运动避障装置10的安全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。。

Claims (11)

1.一种运动避障装置，包括麦克纳姆轮式底盘、麦克纳姆轮、驱动单元、激光感应器、控制板卡、急停开关及电机，所述麦克纳姆轮式底盘、所述麦克纳姆轮、所述驱动单元、所述激光感应器、所述控制板卡、所述急停开关及所述电机相互电连接，其特征在于，所述控制板卡包括一处理单元，该处理单元包括：

采集模块，用于在运动避障装置移动时，利用所述激光感应器采集所述运动避障装置周围的环境信息；

匹配模块，用于将所述环境信息与预存的环境地图相匹配，确定所述环境中的障碍物；

确定模块，用于确定所述障碍物的位置、移动速度及方向；

判断模块，用于根据所述障碍物与所述运动避障装置位置、移动速度及方向计算所述障碍物是否会与所述运动避障装置碰撞；

规划模块，用于在所述障碍物与所述运动避障装置碰撞时，根据所述障碍物与所述运动避障装置位置、移动速度及方向规划避障路径；及

移动模块，用于控制所述运动避障装置从原行进路线进入所述避障路径，以使所述运动避障装置不与所述障碍物碰撞。

2.如权利要求1所述的运动避障装置，其特征在于，所述移动模块还用于在所述运动避障装置避开所述障碍物碰撞时，控制该运动避障装置从所述避障路径回归所述原行进路线。

3.如权利要求1所述的运动避障装置，其特征在于，所述处理单元还包括：

计算模块，用于根据所述运动避障装置的移动速度及电机参数计算所述运动避障装置的最小制动距离；及

设定模块，用于设定1.5倍所述最小制动距离为所述运动避障装置的安全距离。

4.如权利要求3所述的运动避障装置，其特征在于，所述规划模块还用于在无法规划出所述避障路径时，根据所述运动避障装置和所述障碍物之间的距离与所述安全距离的大小关系，控制所述运动避障装置减速或者紧急制动。

5.如权利要求1所述的运动避障装置，其特征在于，所述移动模块还用于保持所述运动避障装置在原行进路线方向的速度分量不变。

6.一种运动避障装置控制方法，其特征在于，该方法包括：

采集步骤，在运动避障装置移动时，采集所述运动避障装置周围的环境信息；

匹配步骤，将所述环境信息与预存的环境地图相匹配，确定所述环境中的障碍物；

确定步骤，确定所述障碍物的位置、移动速度及方向；

判断步骤，根据所述障碍物与所述运动避障装置位置、移动速度及方向计算所述障碍物是否会与所述运动避障装置碰撞；

规划步骤，如果所述障碍物会与所述运动避障装置碰撞，根据所述障碍物与所述运动避障装置位置、移动速度及方向规划避障路径；及

移动步骤，控制所述运动避障装置从原行进路线进入所述避障路径，以使所述运动避障装置不与所述障碍物碰撞。

7.如权利要求6所述的运动避障装置控制方法，其特征在于，所述采集步骤利用激光感应器采集所述环境信息。

8.如权利要求6所述的运动避障装置控制方法，其特征在于，该方法还包括：

还原步骤，在所述运动避障装置避开所述障碍物碰撞时，控制该运动避障装置从所述避障路径回归所述原行进路线。

9.如权利要求6所述的运动避障装置控制方法，其特征在于，该方法还包括：

计算步骤，根据所述运动避障装置的移动速度及电机参数计算所述运动避障装置的最小制动距离；及

设定步骤，设定1.5倍所述最小制动距离为所述运动避障装置的安全距离。

10.如权利要求9所述的运动避障装置控制方法，其特征在于，所述规划步骤还包括：

在无法规划出所述避障路径时，根据所述运动避障装置和所述障碍物之间的距离与所述安全距离的大小关系，控制所述运动避障装置减速或者紧急制动。

11.如权利要求6所述的运动避障装置控制方法，其特征在于，所述移动步骤还包括：

保持所述运动避障装置在原行进路线方向的速度分量不变。