CN110986951B - 一种基于惩罚权重的路径规划方法、导航格以及栅格地图 - Google Patents
一种基于惩罚权重的路径规划方法、导航格以及栅格地图 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于惩罚权重的路径规划方法、导航格以及栅格地图,通过设置导航格的权重信息和主方向信息以对栅格地图的局限条件进行设定,并在设定好的局限条件下进行有效的搜索算法以寻找最优路径,可以大大提高路径规划的效率和准确度,并有效减小路径规划的计算量。
Description
技术领域
本发明属于路径规划技术领域,具体涉及一种基于惩罚权重的路径规划方法、导航格以及栅格地图。
背景技术
路径规划是运动规划技术领域的重点研究对象之一,连接起点位置和终点位置的序列点或曲线被称为路径,为得到这一路径所采用的策略就是路径规划。
路径规划在很多领域都具有广泛的应用。在高新科技领域的应用有:机器人的自主无碰行动;无人机的避障突防飞行;巡航导弹躲避雷达搜索、防反弹袭击、完成突防爆破任务等。在日常生活领域的应用有:GPS导航;基于GIS 系统的道路规划;城市道路网规划导航等。在决策管理领域的应用有:物流管理中的车辆问题(VRP)及类似的资源管理资源配置问题。通信技术领域的路由问题等。凡是可拓扑为点线网络的规划问题基本上都可以采用路径规划的方法解决。
目前,在解决如AGV小车等行驶器具的路径规划问题时,大多采用较为复杂的全局搜索算法,没有考虑到AGV小车的行驶的特点和仓库的摆放特点,具有算法复杂、计算量大、计算效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷,提供一种基于惩罚权重的路径规划方法、导航格以及栅格地图,在设定好的局限条件下进行有效的搜索算法以寻找最优路径,可以大大提高路径规划的效率和准确度,并有效减小路径规划的计算量。
本发明的技术方案如下:
一种基于惩罚权重的路径规划方法,包括以下步骤:
S1、在铺设有多个导航格的栅格地图上选取起始格和终点格,并将所述起始格放入计算集中;每一所述导航格内设置有坐标信息、主方向信息和权重信息;
S2、在所述计算集不为空时,选取所述计算集中的一个导航格作为起始计算格,根据所述起始计算格的主方向信息对应的可行方向,获得所述起始计算格的可通行邻近格集;所述可通行邻近格集包括所述起始计算格在所述可行方向上的相邻的导航格;
S3、在所述可通行邻近格集中选取一个导航格作为进阶计算格,将所述起始计算格移出所述计算集;并获取所述进阶计算格的路径代价,并判断:
S31、当所述进阶计算格的路径代价为零时,保存所述进阶计算格的路径代价等于当前代价,保存所述进阶计算格的前一连接格为所述起始计算格,若所述进阶计算格不在所述计算集中将所述进阶计算格放入所述计算集;所述当前代价为所述起始计算格的路径代价+所述进阶计算格的权重信息;当所述起始计算格为所述起始格时,所述起始计算格的路径代价等于所述起始计算格的权重信息;
S32、当所述进阶计算格的路径代价大于零且大于所述当前代价时,保存所述进阶计算格的路径代价等于所述当前代价,保存所述进阶计算格的前一连接格为所述起始计算格;
S33、当所述进阶计算格的路径代价大于零且小于所述当前代价时,所述进阶计算格的路径代价和前一连接格均保持不变;
S4、重复所述步骤S2-S33,直到所述计算集为空;
S5、从所述栅格地图上的所述终点格开始,依次获取当前格的所述前一连接格,直到得到整条规划路径。
进一步的,所述主方向信息可以为多个方向中的一个方向;所述主方向信息对应的可行方向为所述多个方向中除了与所述主方向信息相反的方向以外的其他所有方向。
进一步的,所述多个方向为上、下、左、右四个方向。
进一步的,所述步骤S31的所述当前代价为所述起始计算格的路径代价+所述进阶计算格的权重信息+行驶权重;
当所述起始计算格的前一连接格所在的方向与所述进阶计算格相对于所述起始计算格所在的方向不同时,判断为转弯行驶,所述行驶权重等于第一转弯权重;
当所述起始计算格的前一连接格所在的方向与所述进阶计算格相对于所述起始计算格所在的方向相同时,判断为直行行驶,所述行驶权重等于第一直行权重;
所述第一转弯权重大于所述第一直行权重。
进一步的,所述步骤S1之前还包括以下步骤:
预先设定所述导航格的所述权重信息。
进一步的,所述导航格在满足避开规则时,设定所述权重信息为避开权重,否则,设定所述权重信息为常规权重;
所述避开规则为所述导航格被占用或所述导航格处于非行驶区域;
所述避开权重大于所述常规权重。
进一步的,所述步骤S5之后还包括以下步骤:
S6、对处于所述规划路径上的导航格的权重信息进行更新:
当所述导航格的前一连接格所在的方向与所述导航格的下一连接格相对于所述导航格所在的方向不同时,判断所述导航格为转弯格,所述导航格的权重信息等于原先的权重信息加上第二转弯权重;
当所述导航格的前一连接格所在的方向与所述导航格的下一连接格相对于所述导航格所在的方向相同时,判断所述导航格为直行格,所述导航格的权重信息等于原先的权重信息加上第二直行权重;
所述第二转弯权重大于所述第二直行权重。
进一步的,在所述步骤S6之后还包括以下步骤:
S7、判断路径规划的次数,在路径规划的次数大于预设的次数阈值时,重置所述栅格地图中的导航格的权重信息为初始权重。
本发明还公开了一种导航格,可用于实施如上所述的路径规划方法,所述导航格设置有所述坐标信息、所述主方向信息、所述权重信息和相邻导航格信息。
本发明还公开了一种栅格地图,铺设有多个上述导航格,可用于实施如上所述的路径规划方法。
与现有技术相比,本发明的有益技术效果如下:
本发明提供了一种基于惩罚权重的路径规划方法、导航格以及栅格地图,通过设置导航格的权重信息和主方向信息以对栅格地图的局限条件进行设定,并在设定好的局限条件下进行有效的搜索算法以寻找最优路径,可以大大提高路径规划的效率和准确度,并有效减小路径规划的计算量。
附图说明
图1是本发明实施例1中所述的导航格的方向信息示意图。
图2是本发明实施例1所述的导航格的高度宽度信息示意图。
图3是本发明实施例1所述的导航格的四邻域示意图。
图4是本发明实施例1所述的栅格地图的铺设示意图。
图5是本发明实施例1所述的一种基于惩罚权重的路径规划方法的步骤示意图。
具体实施方式
为了充分地了解本发明的目的、特征和效果,以下将结合附图对本发明的几种优选的实施方式进行说明。
实施例1
本实施例公开了一种基于惩罚权重的路径规划方法,其适用于铺设有多个导航格的栅格地图,更进一步的可用于AGV小车的路径规划。
具体的,导航格设置有坐标信息、主方向信息、权重信息和相邻导航格信息,更进一步的,栅格地图通过json格式进行保存,每一导航格均包括以下信息:
"centerpoint":导航格的中心点索引号,可以是0~999999。
"direction":导航格的主方向信息,本实施例中导航格的方向有上下左右四个方向,如图1所示4个方向“up”,“right”,“down”,“left”。
"diNum":导航格能通行的方向,每个导航格都有一个主方向,可以从如图 1所示4个主方向选择一个。具体的,AGV不能与主方向相逆行驶,同时由于地图物理环境的限制或者是优化的需求,不是其它三个方向都能走可以通过设置diNum来确定。如图1中如果栅格点的主方向是向上“up”,则可行驶的方向是“up”、“left”、“right”三个方向则diNum=0x01+0x02+0x08=0x0B。
"heightup":导航格的上半截高度如图2所示。
"heightdown":导航格的下半截高度如图2所示。
"index":导航格索引号。
"height":导航格的高度如图2所示。
"mapdir":地图货架摆放方向,0表示货架在地图上是竖着摆放;1表示货架在地图上是水平摆放,不同的摆放方向决定了插货方向,竖直摆放需要左右插货,水平摆放需要上下插货。
"neighbor_down":导航格下邻域索引号如图3所示。
"neighbor_left":导航格左邻域索引号如图3所示。
"neighbor_right":导航格右邻域索引号如图3所示。
"neighbor_up":导航格上邻域索引号如图3所示。上述所述的四个邻域即导航格在四个方向上的相邻导航格。
"type":导航格的类型属性包括“road”、“shelf”、“charge”、“exchange”、“sidewalk”这5种类型,分别表示道路,货架,充电位,交换位,人行道。
"weight":导航格的权重信息。
"width":导航格宽度如图2所示。
"widthleft":该导航格左边宽度如图2所示。
"widthright":该导航格右边宽度如图2所示。
"x":导航格的x轴坐标。
"y":导航格的y轴坐标。
考虑到车子转弯半径和场地环境限制,需要对导航格的中心进行调节。可以通过修改图2中四个方向的距离进行调节,中心位置。但是需要满足 height=heightup+heightdown;和width=widthleft+widthright。
具体的,铺设了多个导航格的栅格地图的其中一种示例如图4所示,其中,箭头代表该导航格的主方向信息,而设置有×号的导航格表示货架。由图中可视,该栅格地图中相邻的导航格不存在箭头相对的情况,即不会出现主方向信息冲突的情况。
具体的,本实施例公开的路径规划方法在执行之前,可以预先设定导航格的权重信息。具体的,导航格在满足避开规则时,设定权重信息为避开权重,否则,设定权重信息为常规权重。具体的,避开规则为导航格被占用或导航格处于非行驶区域。具体的,避开权重应大于常规权重。
具体的,本实施例公开的路径规划方法如图5所示,包括以下步骤:
S1、在铺设有多个导航格的栅格地图上选取起始格和终点格,并将起始格放入计算集中。
S2、在计算集不为空时,选取计算集中的一个导航格作为起始计算格,根据起始计算格的主方向信息对应的可行方向,获得起始计算格的可通行邻近格集。
具体的,主方向信息可以为多个方向中的一个方向。主方向信息对应的可行方向为多个方向中除了与主方向信息相反的方向以外的其他所有方向。具体的,多个方向为上、下、左、右四个方向。
具体的,可通行邻近格集包括起始计算格在可行方向上的相邻的导航格,也即图3所示的四个邻域中在可行方向上的邻域所对应的导航格。
S3、在可通行邻近格集中选取一个导航格作为进阶计算格,将起始计算格移出计算集;并获取进阶计算格的路径代价,并重新计算进阶计算格的路径代价。
具体的,通过以下步骤计算:
S31、当进阶计算格的路径代价为零时,保存进阶计算格的路径代价等于当前代价,保存进阶计算格的前一连接格为起始计算格,若进阶计算格不在计算集中将进阶计算格放入计算集。当前代价为起始计算格的路径代价+进阶计算格的权重信息。当起始计算格为起始格时,起始计算格的路径代价等于起始计算格的权重信息。
S32、当进阶计算格的路径代价大于零且大于当前代价时,保存进阶计算格的路径代价等于当前代价,保存进阶计算格的前一连接格为起始计算格。
S33、当进阶计算格的路径代价大于零且小于当前代价时,进阶计算格的路径代价和前一连接格均保持不变。
进一步的,步骤S31的当前代价为起始计算格的路径代价+进阶计算格的权重信息+行驶权重。当起始计算格的前一连接格所在的方向与进阶计算格相对于起始计算格所在的方向不同时,判断为转弯行驶,行驶权重等于第一转弯权重。当起始计算格的前一连接格所在的方向与进阶计算格相对于起始计算格所在的方向相同时,判断为直行行驶,行驶权重等于第一直行权重。第一转弯权重大于第一直行权重。
S4、重复步骤S2-S33,直到计算集为空。
S5、从栅格地图上的终点格开始,依次获取当前格的前一连接格,直到得到整条规划路径。
S6、对处于规划路径上的导航格的权重信息进行更新:当导航格的前一连接格所在的方向与导航格的下一连接格相对于导航格所在的方向不同时,判断导航格为转弯格,导航格的权重信息等于原先的权重信息加上第二转弯权重。当导航格的前一连接格所在的方向与导航格的下一连接格相对于导航格所在的方向相同时,判断导航格为直行格,导航格的权重信息等于原先的权重信息加上第二直行权重。第二转弯权重大于第二直行权重。
S7、判断路径规划的次数,在路径规划的次数大于预设的次数阈值时,重置栅格地图中的导航格的权重信息为初始权重。
下面结合实际实施的算法方案来对本方法进行更进一步的阐述:
在进行导航格的预先设置时,一般的导航格的惩罚权重信息为0,当导航格被AGV占用时惩罚权重增大,离开释放是权重变为0。还有一些导航格,为了让非业务相关的AGV占用该点,可以预先设置较大的权重,使得不相关AGV 远离该点。
基于上面的栅格地图,开发了一种基于惩罚权重的路径规划算法。有如下考虑:AGV转弯和直行的惩罚值是不一样的,设置直行惩罚值为w=1,转弯惩罚值为w=10。AGV规划路径是要考虑尽量分流,在一定的路径规划次数内,AGV经过的道路惩罚权重是不断累积的,到次数后这种惩罚权重要清除。因此如果路径规划次数num<20,则算法继续进行,否则地图中的任一点的权重信息
更新地图惩罚权重可以分为如下几部分:
如果A非空则取点为pi并且将其从A中移除。基于通行方向生成可通邻域点集Q,取点qj计算pstart到该点的损失如果qj的sumloss为0则/>前一个连接点/>其中:当AGV从pi到 qj是直行w=1,如果需要转弯则w=10。如果qj不属于A把qj添加到A中。
如果且/>则/> 且前一个连接点/>如果A为空则从pend开始不断获取其prePoint点一直到pstart得到整个规划路径.更新路径每个对应地图的点p的惩罚权重,如果路径中该点为直行则pweight=pweight+1,如果是转弯点则 pweight=pweight+10。
本领域普通技术人员可以意识到,结合本发明实施例中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中,应该理解到,所揭露的装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可查看存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例,应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案,均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于惩罚权重的路径规划方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、在铺设有多个导航格的栅格地图上选取起始格和终点格,并将所述起始格放入计算集中;每一所述导航格内设置有坐标信息、主方向信息和权重信息;
S2、在所述计算集不为空时,选取所述计算集中的一个导航格作为起始计算格,根据所述起始计算格的主方向信息对应的可行方向,获得所述起始计算格的可通行邻近格集;所述可通行邻近格集包括所述起始计算格在所述可行方向上的相邻的导航格;
S3、在所述可通行邻近格集中选取一个导航格作为进阶计算格,将所述起始计算格移出所述计算集;并获取所述进阶计算格的路径代价,并判断:
S31、当所述进阶计算格的路径代价为零时,保存所述进阶计算格的路径代价等于当前代价,保存所述进阶计算格的前一连接格为所述起始计算格,若所述进阶计算格不在所述计算集中将所述进阶计算格放入所述计算集;所述当前代价为所述起始计算格的路径代价+所述进阶计算格的权重信息;当所述起始计算格为所述起始格时,所述起始计算格的路径代价等于所述起始计算格的权重信息;
S32、当所述进阶计算格的路径代价大于零且大于所述当前代价时,保存所述进阶计算格的路径代价等于所述当前代价,保存所述进阶计算格的前一连接格为所述起始计算格;
S33、当所述进阶计算格的路径代价大于零且小于所述当前代价时,所述进阶计算格的路径代价和前一连接格均保持不变;
S4、重复所述步骤S2-S33,直到所述计算集为空;
S5、从所述栅格地图上的所述终点格开始,依次获取当前格的所述前一连接格,直到得到整条规划路径。
2.如权利要求1所述的基于惩罚权重的路径规划方法,其特征在于,所述主方向信息可以为多个方向中的一个方向;所述主方向信息对应的可行方向为所述多个方向中除了与所述主方向信息相反的方向以外的其他所有方向。
3.如权利要求2所述的基于惩罚权重的路径规划方法,其特征在于,所述多个方向为上、下、左、右四个方向。
4.如权利要求1所述的基于惩罚权重的路径规划方法,其特征在于,所述步骤S31的所述当前代价为所述起始计算格的路径代价+所述进阶计算格的权重信息+行驶权重;
当所述起始计算格的前一连接格所在的方向与所述进阶计算格相对于所述起始计算格所在的方向不同时,判断为转弯行驶,所述行驶权重等于第一转弯权重;
当所述起始计算格的前一连接格所在的方向与所述进阶计算格相对于所述起始计算格所在的方向相同时,判断为直行行驶,所述行驶权重等于第一直行权重;
所述第一转弯权重大于所述第一直行权重。
5.如权利要求1所述的基于惩罚权重的路径规划方法,其特征在于,所述步骤S1之前还包括以下步骤:
预先设定所述导航格的所述权重信息。
6.如权利要求5所述的基于惩罚权重的路径规划方法,其特征在于,所述导航格在满足避开规则时,设定所述权重信息为避开权重,否则,设定所述权重信息为常规权重;
所述避开规则为所述导航格被占用或所述导航格处于非行驶区域;
所述避开权重大于所述常规权重。
7.如权利要求1所述的基于惩罚权重的路径规划方法,其特征在于,所述步骤S5之后还包括以下步骤:
S6、对处于所述规划路径上的导航格的权重信息进行更新:
当所述导航格的前一连接格所在的方向与所述导航格的下一连接格相对于所述导航格所在的方向不同时,判断所述导航格为转弯格,所述导航格的权重信息等于原先的权重信息加上第二转弯权重;
当所述导航格的前一连接格所在的方向与所述导航格的下一连接格相对于所述导航格所在的方向相同时,判断所述导航格为直行格,所述导航格的权重信息等于原先的权重信息加上第二直行权重;
所述第二转弯权重大于所述第二直行权重。
8.如权利要求7所述的基于惩罚权重的路径规划方法,其特征在于,在所述步骤S6之后还包括以下步骤:
S7、判断路径规划的次数,在路径规划的次数大于预设的次数阈值时,重置所述栅格地图中的导航格的权重信息为初始权重。
9.一种导航格,可用于实施如权利要求1—8任一项所述的路径规划方法,其特征在于,设置有所述坐标信息、所述主方向信息、所述权重信息和相邻导航格信息。
10.一种栅格地图,其特征在于,铺设有多个如权利要求9所述的导航格,可用于实施如权利要求1—8任一项所述的路径规划方法。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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