CN107402011B - 一种针对温室移动机器人的复合栅格地图构建方法 - Google Patents

一种针对温室移动机器人的复合栅格地图构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及温室环境中移动机器人一种复合栅格地图构建方法。为了解决温室环境下的栅格地图通常只考虑温室内的实际障碍物，而忽略如温度、湿度等其他因素所带来的地图信息不准确的问题。本发明采用无线传感器网络实时采集温室温度、湿度参数；通过采用三角形向量法对所采集的离散数据进行建模；并将温室空间划分成一定大小的栅格，将温度、湿度参数利用阈值，确定各栅格的占用情况，并最终和原有障碍物栅格进行复合，得到可动态更新的复合栅格地图，经测试比较，复合栅格地图避开障碍物的成功率均达到100％，相较与普通栅格地图有明显提高。

Description

一种针对温室移动机器人的复合栅格地图构建方法
技术领域
本发明涉及温室环境中移动机器人一种复合栅格地图构建技术。
背景技术
温室移动机器人是温室自动化技术的一种集中体现，主要用来在温室环境中搬运、采摘、精确施肥等方面的工作，有利于提高劳动效率，降低生产成本。目前，国内外学者针对温室移动机器人的应用技术，已经做了许多研究，其中机器人的自主导航方法是重点研究内容之一。
栅格地图是机器人自主导航中常用的一种环境地图，是将传统的几何地图离散化表示，用栅格将目标区域分割成连续的区域。栅格通常为正方形，大小一致。根据障碍物的位置，将其所对应的栅格赋值，表示占用情况。栅格地图表示清晰、直观应用广泛，也常被应用在温室环境中的机器人自主导航中。
目前，温室环境下的栅格地图的应用，通常只考虑温室内的实际障碍物所构成的普通栅格地图，和机器人自身而忽略如温度、湿度等其他因素，或是在机器人运动时，停止一些对机器人造成不利影响的工作，如喷灌、加热等。前一种方法无法获得全面环境信息，可能会导致路径规划错误，而后一种方法显然缺乏灵活性，自动化程度低，不利于提高效率。
发明内容
为了解决原有栅格地图的构建方法所带来的不足，本发明提出了一种新的构建复合栅格地图的方法，包括如下步骤：
(1)环境信息获取
利用无线传感器网络获取温室各处离散的环境信息：温度和湿度。
(2)对温度和湿度信息建模
建模的目的是将原本离散的关键环境信息，通过某种方法变成连续的，覆盖整个目标区域的方程。当模型建立后，在目标区域内，根据任一点的坐标，即可求得该点的环境参数值，为地图的构建做好准备。
(3)建立新复合栅格地图
a)将温度、湿度环境参数引入，采用三角形向量法，建立温室内环境模型；
b)将温室地表平面逻辑上划分成大小一致的栅格，通常为正方形；
c)动态判断栅格对应的环境量是否超过某阈值，则栅格逻辑上被赋值1或0，1表示障碍，用黑色表示无法通过，0表示无障碍，用白色表示可以通过。按逻辑或的关系得出多环境参数的动态复合栅格地图。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统结构图。
图中：工作现场单元由无线传感器网络和移动机器人组成；监控中心单元由数据库服务器、Web服务器和通信服务器组成；远程单元由远程浏览客户和远程控制客户组成。
图2是获取环境信息时的传感器节点布置。
图3是温度和湿度所采用的三角形建模。
图4是某次测试时，按式(3)在MATLAB平台建立的温度连续模型。
图5是某次测试时，按式(3)在MATLAB平台建立的湿度连续模型。
图6是温室平面栅格示意图。
图7是温度栅格地图。
图8是湿度栅格地图。
图9是温室中实际障碍物栅格地图。
图10是温度、湿度、障碍物三者合一的复合栅格地图。
图11动态更新复合栅格地图的流程。
图12测试目标点位置。
具体实施方式
本发明提出了一种新的构复合建栅格地图的方法，包括如下步骤：
(1)环境信息获取
采用无线传感器网络获取温室内的环境信息，其中温度、湿度参数将会被用于制作环境地图。
(2)对温度和湿度信息建模
采用三角形向量法建模：将离散的各点分别连成众多三角形，对于三角形除3个顶点外的任意坐标(x,y)，其z值根据如下方法估算。在已经划分好的三角形中，A,B,C为三角形的顶点，数据是已知的，现在要求出其内部任意点D处的z值。
空间向量有如下关系：
Figure GDA0002395101110000031
则有：
Figure GDA0002395101110000032
将式(2)行列式展开，可得：
Figure GDA0002395101110000041
利用式(3)可求出三角形中，任一点的z值。当任意点(x,y)密集选取时，就可构成一个连续的曲面模型。在MATLAB平台，根据式(3)编写程序，即可建立温度、湿度的连续模型。
(3)建立复合栅格地图
将温室地表平面逻辑上划分成正方形栅格，在栅格的顶点和各边中间距离取点，分别为a,b......h，其坐标分别对应为(ax,ay),(bx,by),......,(hx,hy)。利用式(4)可得出复合栅格的逻辑值。
Figure GDA0002395101110000042
此处温度阈值z0温度取50℃，湿度阈值z0湿度取80％RH，逻辑值为1的栅格用黑色填充，表示被占用。此处两个阈值可根据实际要求，灵活确定。
(4)建立复合栅格地图
根据所得的多种环境信息下的栅格地图，按式(5)将其叠加起来，获得最终的复合栅格地图。
T(x,y)＝G1(x,y)|G2(x,y)|G3(x,y)|...|Gn(x,y) (5)
式(5)中T(x,y)表示复合栅格逻辑值；Gn(x,y)表示第n种环境信息下的栅格逻辑值。
复合栅格地图，是根据传感器网络在某次采集温度、湿度环境信息后，绘制出来的。理论上传感器网络如果每1s采集一次数据，机器人应该绘制出一张复合栅格地图，但这将会大大增加机器人的负担，导致响应慢、实时性差的问题为了解决这个问题，采用当某时采集到温度或者湿度变化率达到±10％时，则动态更新整个温室复合栅格地图。
以下是对本发明避开障碍区域进行验证的方法：
在温室中，设定A(16,4)点为起始点，T1(20,20)，T2(48,20)，…，T10(60,12)分别为目标点，移动机器人采用广泛使用的传统A*路径规划算法，进行路径规划。
对10个目标点进行分组测试，每组分4种情况，分别对应：不能更新的普通栅格地图和温度、湿度数据变化率阈值分别为±5％、±10％、±20％时，动态更新的复合栅格地图，具体数据如表1所示。
表1测试数据统计
Figure GDA0002395101110000051
表中√表示成功避开，×表示未成功避开。
从表中避开障碍物的成功率上看，利用普通栅格地图避开障碍物的成功率为40％；利用温湿度数据变化率阈值分别设定为±2％、±10％、±20％时，动态更新的复合栅格地图，其成功率分别为100％、100％、80％，成功率明显提高。

Claims (1)

1.一种针对温室移动机器人的复合栅格地图构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)环境信息获取
采用无线传感器网络获取温室内的环境信息，其中温度、湿度参数将会被用于制作环境地图；
(2)对温度和湿度信息建模
采用三角形向量法建模：将离散的各点分别连成众多三角形，对于三角形除3个顶点外的任意坐标(x,y)，其z值根据如下方法估算，在已经划分好的三角形中，A,B,C为三角形的顶点，数据是已知的，现在要求出其内部任意点D处的z值：
空间向量有如下关系
Figure FDA0002395101100000011
则有：
Figure FDA0002395101100000012
将式(2)行列式展开，可得：
Figure FDA0002395101100000013
利用式(3)可求出三角形中，任一点的z值，当任意点(x,y)密集选取时，就可构成一个连续的曲面模型；
(3)建立复合栅格地图
将温室地表平面逻辑上划分成正方形栅格，在栅格的顶点和各边中间距离取点，分别为a,b......h，其坐标分别对应为(ax,ay),(bx,by),......,(hx,hy)，利用式(4)可得出复合栅格的逻辑值；
Figure FDA0002395101100000021
式(4)中z0表示温度阈值或湿度阈值；
(4)建立复合栅格地图
根据所得的多种环境信息下的栅格地图，按式(5)将其叠加起来，获得最终的复合栅格地图；
T(x,y)＝G1(x,y)|G2(x,y)|G3(x,y)|...|Gn(x,y) (5)
式(5)中T(x,y)表示复合栅格逻辑值；Gn(x,y)表示第n种环境信息下的栅格逻辑值；
复合栅格地图，是根据传感器网络在某次采集温度、湿度环境信息后，绘制出来的；当某时采集到温度或者湿度变化率达到±10％时，则动态更新整个温室复合栅格地图。
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