CN111521189B - 清扫路径规划方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种清扫路径规划方法及装置，方法包括：对待清扫区域进行处理，得到待清扫区域的中心骨架线；以中心骨架线为基线，以车辆的技术参数为平移距离，分别向上和向下平移，得到第一折线集和第二折线集；对第一折线集的边缘和第二折线集的边缘分别进行处理，得到待清扫区域第一侧的第一曲线集和待清扫区域第二侧的第二曲线集；对第一折线集、第二折线集、第一曲线集和第二曲线集进行拼接，得到覆盖待清扫区域的原始规划路径；对原始规划路径中的折线位置进行平滑处理，得到覆盖待清扫区域的目标规划路径。由此，保证了路径规划满足车辆运动学约束，从而保证了生成的规划路径的有效性与合理性。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理领域，尤其涉及一种清扫路径规划方法及装置。
背景技术
近年来，随着人工智能技术的飞速发展，自动驾驶技术已经越来越多地进入到人们的视野中。尤其在一些特定区域下，用于物流、清扫等的无人驾驶车辆正逐渐地改变这人们的生活。
对于无人清扫车而言，如何在一个特定区域内，尽可能多地清扫该片区域显得尤为重要。因此，如何设计出一条满足车辆的运动约束，同时能尽量遍历整个区域的全覆盖路径具有非常重要的意义。
目前使用最广的全覆盖路径规划方法是基于栅格的规划方式，主要应用在小型的扫地机器人上面。
基于栅格的全覆盖路径规划方法主要是采用栅格地图实现的，这种方法一般包括两个部分：环境建模与路径生成。首先是环境建模，即对给定的清扫区域进行栅格化处理，建立起整个区域的栅格地图；然后根据栅格之间的连通性进行路径的搜索和规划，使路线能够遍历所有栅格。
基于栅格的全覆盖路径规划算法在建立栅格的过程中需要大量的计算资源和运算空间，在待清扫区域面积比较大的情况(比如园区或者广场)下，栅格地图的面积也会随之增大，带来的运算效率也会显著下降。
现有的全覆盖路径规划算法大多适用于家用扫地机器人，生成的覆盖路径允许存在折线、掉头等路线，没有转弯半径的限制，不符合真实车辆运动学的约束，无法满足室外的无人清扫车的路径行驶需求。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种清扫路径规划方法及装置，以解决现有技术中的路径规划运算效率下降且无法满足室外的路径行驶需求的问题。
为解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种清扫路径规划方法，所述方法包括：
对待清扫区域进行处理，得到所述待清扫区域的中心骨架线；
以所述中心骨架线为基线，以车辆的技术参数为平移距离，分别向上和向下平移，得到第一折线集和第二折线集；
对所述第一折线集的边缘和所述第二折线集的边缘分别进行处理，得到待清扫区域第一侧的第一曲线集和待清扫区域第二侧的第二曲线集；
对所述第一折线集、所述第二折线集、所述第一曲线集和所述第二曲线集进行拼接，得到覆盖所述待清扫区域的原始规划路径；
对所述原始规划路径中的折线位置进行平滑处理，得到覆盖所述待清扫区域的目标规划路径。
在一种可能的实现方式中，所述对待清扫区域进行处理，得到所述待清扫区域的中心骨架线具体包括：
通过Delaunay三角剖分算法，将待清扫区域拆分为多个三角形；
根据各个三角形的邻接关系，将邻接三角形的跨接边的中点顺序相连，得到中心骨架线。
在一种可能的实现方式中，，所述车辆的技术参数包括车辆宽度，所述以所述中心骨架线为基线，以车辆的技术参数为平移距离，分别向上和向下平移，得到第一折线集和第二折线集，具体包括：
以所述中心骨架线为基线，以车辆的宽度为平移距离，分别向上和向下平移，直至平移至待清扫区域的上下两侧的边缘为止，其中，向上平移得到的多条折线构成第一折线集，向下平移得到的多条折线构成第二折线集。
在一种可能的实现方式中，，所述对所述第一折线集的边缘和所述第二折线集的边缘分别进行处理，得到待清扫区域第一侧的第一曲线集和待清扫区域第二侧的第二曲线集，具体包括：
对所述第一折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由远及近依次标记序号；
对所述第二折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由近及远依次标记序号；
在待清扫区域的第一侧，将所述第二折线集中的序号为i的折线和所述第一折线集中的序号为i+1的折线进行拼接处理，得到第一曲线集；i为折线的序号；所述第一曲线集包括多条第一Dubins曲线；
在待清扫区域的第二侧，将所述第二折线集中的序号为i的折线和所述第一折线集中的序号为i的折线进行拼接处理，得到第二曲线集；所述第二曲线集包括多条第二Dubins曲线。
第二方面，本发明提供了一种清扫路径规划装置，所述装置包括：
处理单元，所述处理单元用于对待清扫区域进行处理，得到所述待清扫区域的中心骨架线；
平移单元，所述平移单元用于以所述中心骨架线为基线，以车辆的技术参数为平移距离，分别向上和向下平移，得到第一折线集和第二折线集；
所述处理单元还用于，对所述第一折线集的边缘和所述第二折线集的边缘分别进行处理，得到待清扫区域第一侧的第一曲线集和待清扫区域第二侧的第二曲线集；
拼接单元，所述拼接单元用于对所述第一折线集、所述第二折线集、所述第一曲线集和所述第二曲线集进行拼接，得到覆盖所述待清扫区域的原始规划路径；
所述处理单元还用于，对所述原始规划路径中的折线位置进行平滑处理，得到覆盖所述待清扫区域的目标规划路径。
在一种可能的实现方式中，所述处理单元具体用于：
通过Delaunay三角剖分算法，将待清扫区域拆分为多个三角形；
根据各个三角形的邻接关系，将邻接三角形的跨接边的中点顺序相连，得到中心骨架线。
在一种可能的实现方式中，所述平移单元具体用于：
以所述中心骨架线为基线，以车辆的宽度为平移距离，分别向上和向下平移，直至平移至待清扫区域的上下两侧的边缘为止，其中，向上平移得到的多条折线构成第一折线集，向下平移得到的多条折线构成第二折线集。
在一种可能的实现方式中，所述处理单元具体用于：
对所述第一折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由远及近依次标记序号；
对所述第二折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由近及远依次标记序号；
在待清扫区域的第一侧，将所述第二折线集中的序号为i的折线和所述第一折线集中的序号为i+1的折线进行拼接处理，得到第一曲线集；i为折线的序号；所述第一曲线集包括多条第一Dubins曲线；
在待清扫区域的第二侧，将所述第二折线集中的序号为i的折线和所述第一折线集中的序号为i的折线进行拼接处理，得到第二曲线集；所述第二曲线集包括多条第二Dubins曲线。
第三方面，本发明提供了一种设备，包括存储器和处理器，存储器用于存储程序，处理器用于执行第一方面任一所述的方法。
第四方面，本发明提供了一种包含指令的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如第一方面任一所述的方法。
第五方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一所述的方法。
通过应用本发明实施例一提供的清扫路径规划方法及装置，针对待清扫区域的形状类似于管道形状的单连通区域，将待清扫区域以几何图形近似，并非采用栅格地图进行处理，大大减少了运算量，提高了路径规划效率。并且通过Dubins曲线进行边缘部分的处理，保证了路径规划满足车辆运动学约束，从而保证了生成的规划路径的有效性与合理性。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的清扫路径规划方法流程示意图；
图2为待清扫区域示意图；
图3为中心骨架线示意图；
图4为中心骨架线平移后的示意图；
图5为对第一折线集的边缘和第二折线集的边缘进行处理的示意图；
图6为进行平滑处理的示意图；
图7为目标规划路径的示意图；
图8为本发明实施例二提供的清扫路径规划装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1为本发明实施例一提供的清扫路径规划方法流程示意图。本申请的执行主体为具有计算功能的终端、服务器或者处理器。本申请以将该方法应用在无人驾驶车辆为例进行说明，当将该方法应用在无人驾驶车辆时，该方法的执行主体为自动驾驶车辆控制单元(Automated Vehicle Control Unit，AVCU)，即无人驾驶车辆的中央处理器相当于无人驾驶车辆的“大脑”。如图1所示，本申请包括以下步骤：
步骤110，对待清扫区域进行处理，得到待清扫区域的中心骨架线。
具体的，车辆进行清扫作业时，可以根据车辆的当前位置信息，获取到待清扫区域的地图，并将该待清扫区域的地图中的固定障碍物等，得到一个或多个待清扫区域，比如，地图中不存在固定障碍物时，可以得到一个待清扫区域，地图中存在固定障碍物时，可以避过固定障碍物，得到多个待清扫区域，对于待清扫区域为类似于管道形状的单连通区域，可以通过Delaunay三角剖分算法，将待清扫区域拆分为多个三角形；随后根据各个三角形的邻接关系，将邻接三角形的跨接边的中点顺序相连，得到中心骨架线。
待清扫区域参见图2，通过德洛内(Delaunay)三角剖分算法后得到的多个三角形，取邻接边的中点得到中心骨架线，参见图3中的虚线。
步骤120，以中心骨架线为基线，以车辆的技术参数为平移距离，分别向上和向下平移，得到第一折线集和第二折线集。
具体的，由于车辆在清扫的过程中，受清扫刷的安装位置的限制，因此，每次清扫时，一般可以清扫车辆宽度范围内的区域，因此，可以根据车辆宽度，以中心骨架线为基线，以车辆的宽度为平移距离，分别向上和向下平移，直至平移至待清扫区域的上下两侧的边缘为止，其中，向上平移得到的多条折线构成第一折线集，向下平移得到的多条折线构成第二折线集。
其中，车辆宽度作为车辆的一项技术参数，与车辆的长度、高度等，已经预先存储在车辆的AVCU的存储单元中。参见图4，中心骨架线上方，以车辆的宽度为平移距离进行平移，得到第一折线集，中心骨架线下方，以车辆的宽度为平移距离进行平移，得到第二折线集。
步骤130，对第一折线集的边缘和第二折线集的边缘分别进行处理，得到待清扫区域第一侧的第一曲线集和待清扫区域第二侧的第二曲线集。
其中，步骤130具体包括：首先，对第一折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由远及近依次标记序号；然后，对第二折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由近及远依次标记序号；接着，在待清扫区域的第一侧，将第二折线集中的序号为i的折线和第一折线集中的序号为i+1的折线进行拼接处理，得到第一曲线集；i为折线的序号；最后，在待清扫区域的第二侧，将第二折线集中的序号为i的折线和第一折线集中的序号为i的折线进行拼接处理，得到第二曲线集。其中，第一曲线集包括多条第一杜宾斯(Dubins)曲线，第二曲线集包括多条Dubins曲线。
参见图5，第一折线集包括U1,U2,…,Un,第二折线集包括D1,D2,…,Dn。
Dubins曲线是在满足曲率约束和规定的始端和末端的切线方向的条件下，连接两个二维平面(即X-Y平面)的最短路径，在待清扫区域的第一侧，可以将D1的最左侧端点作为有向起始点，将U2的最左侧端点作为有向目标点，得到一条第一Dubins曲线，以此类推，得到n-1条第一Dubins曲线。在待清扫区域的第二侧，可以将U1的最右侧作为有向起始点，将D1的最右侧作为有向目标点，得到一条第二Dubins曲线，以此类推，得到n条第二Dubins曲线。因此，第一Dubins曲线和Dubins曲线满足曲率要求和车辆的运动学约束，是符合转弯半径、前进方向、初始相对位置和速度方向的曲线，满足车辆运动学约束能反映车辆位置、速度、加速度等与时间的关系。在车辆路径规划过程中应用运动学模型，从而规划出的轨迹更切合实际，满足行驶过程中的运动学几何约束，且基于运动学模型设计出的控制器也能具有更可靠的控制性能。
步骤140，对第一折线集、第二折线集、第一曲线集和第二曲线集进行拼接，得到覆盖待清扫区域的原始规划路径。
具体的，根据第一折线集中每个折线的序号，第二折线集中每个折线的序号，将第一曲线集中的第一曲线、第二曲线集中的第二曲线分别拼接在左侧和右侧，从而得到对待清扫区域进行清扫时的原始规划路径。
步骤150，对原始规划路径中的折线位置进行平滑处理，得到覆盖待清扫区域的目标规划路径。
在原始规划路径中，在待清扫区域两端的路径由于通过Dubins方式生成，满足车辆运动学约束，但是中间部分的路径由于中心线的缘故存在一定的折点，需要对折线部分进行处理。
首先遍历整条路径，找到折线的折点的地方，利用圆弧将折线部分进行平滑操作，保证整条路径的曲率连续，之后从路径的起点开始，通过纯跟踪的方式对整条路径进行再一步的优化和处理，得到目标规划路径，保证路径满足车辆运动学约束。
参见图6，可以利用圆弧进行平滑处理，分别对第一折线集和第二折线集中的每条折线进行平滑处理，分别得到平滑处理后的第一折线集和平滑处理后的第二折线集，圆弧的曲率与车辆的最小转弯半径有关。
参见图7，图7为目标规划路径的示意图，该目标规划路径的起点为待清扫区域左上侧位置，终点为待清扫区域左下侧位置。
可以理解的是，在进行中心骨架线提取时，还可以根据维诺图(Voronoi)或者细分图像采样，得到中心骨架线，本申请对此并不限定。
通过应用本发明实施例一提供的清扫路径规划方法，针对待清扫区域的形状类似于管道形状的单连通区域，将待清扫区域以几何图形近似，并非采用栅格地图进行处理，大大减少了运算量，提高了路径规划效率。并且通过Dubins曲线进行边缘部分的处理，保证了路径规划满足车辆运动学约束，从而保证了生成的规划路径的有效性与合理性。
图8为本发明实施例二提供的清扫路径规划装置结构示意图。该清扫路径规划装置应用在实施例一中的清扫路径规划方法中，如图8所示，清扫路径规划装置包括：处理单元810、平移单元820和拼接单元830。
处理单元810用于对待清扫区域进行处理，得到待清扫区域的中心骨架线；
平移单元820用于以中心骨架线为基线，以车辆的技术参数为平移距离，分别向上和向下平移，得到第一折线集和第二折线集；
处理单元810还用于，对第一折线集的边缘和第二折线集的边缘分别进行处理，得到待清扫区域第一侧的第一曲线集和待清扫区域第二侧的第二曲线集；
拼接单元830用于对第一折线集、第二折线集、第一曲线集和第二曲线集进行拼接，得到覆盖待清扫区域的原始规划路径；
处理单元810还用于，对原始规划路径中的折线位置进行平滑处理，得到覆盖待清扫区域的目标规划路径。
进一步的，处理单元810具体用于：
通过Delaunay三角剖分算法，将待清扫区域拆分为多个三角形；
根据各个三角形的邻接关系，将邻接三角形的跨接边的中点顺序相连，得到中心骨架线。
进一步的，平移单元820具体用于：
以中心骨架线为基线，以车辆的宽度为平移距离，分别向上和向下平移，直至平移至待清扫区域的上下两侧的边缘为止，其中，向上平移得到的多条折线构成第一折线集，向下平移得到的多条折线构成第二折线集。
进一步的，处理单元810具体用于：
对第一折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由远及近依次标记序号；
对第二折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由近及远依次标记序号；
在待清扫区域的第一侧，将第二折线集中的序号为i的折线和第一折线集中的序号为i+1的折线进行拼接处理，得到第一曲线集；i为折线的序号；第一曲线集包括多条第一Dubins曲线；
在待清扫区域的第二侧，将第二折线集中的序号为i的折线和第一折线集中的序号为i的折线进行拼接处理，得到第二曲线集；第二曲线集包括多条第二Dubins曲线。
通过应用本发明实施例二提供的清扫路径规划装置，针对待清扫区域的形状类似于管道形状的单连通区域，将待清扫区域以几何图形近似，并非采用栅格地图进行处理，大大减少了运算量，提高了路径规划效率。并且通过Dubins曲线进行边缘部分的处理，保证了路径规划满足车辆运动学约束，从而保证了生成的规划路径的有效性与合理性。
发明实施例三提供了一种设备，包括存储器和处理器，存储器用于存储程序，存储器可通过总线与处理器连接。存储器可以是非易失存储器，例如硬盘驱动器和闪存，存储器中存储有软件程序和设备驱动程序。软件程序能够执行本发明实施例提供的上述方法的各种功能；设备驱动程序可以是网络和接口驱动程序。处理器用于执行软件程序，该软件程序被执行时，能够实现本发明实施例一提供的方法。
本发明实施例四提供了一种包含指令的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行本发明实施例一提供的方法。
本发明实施例五提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例一提供的方法。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文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、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。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。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种清扫路径规划方法，其特征在于，所述方法包括：
对待清扫区域进行处理，得到所述待清扫区域的中心骨架线；
以所述中心骨架线为基线，以车辆的技术参数为平移距离，分别向上和向下平移，得到第一折线集和第二折线集；所述技术参数为车辆的宽度；
对所述第一折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由远及近依次标记序号；对所述第二折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由近及远依次标记序号；对所述第一折线集中序号为i+1的折线和所述第二折线集中序号为i的折线进行拼接处理，得到待清扫区域第一侧的第一曲线集，对所述第一折线集中序号为i的折线和所述第二折线集中的序号为i的折线进行拼接处理，得到待清扫区域第二侧的第二曲线集；i为折线的序号；所述第一曲线集包括多条第一Dubins曲线；所述第二曲线集包括多条第二Dubins曲线；
对所述第一折线集、所述第二折线集、所述第一曲线集和所述第二曲线集进行拼接，得到覆盖所述待清扫区域的原始规划路径；
对所述原始规划路径中的折线位置进行平滑处理，得到覆盖所述待清扫区域的目标规划路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对待清扫区域进行处理，得到所述待清扫区域的中心骨架线具体包括：
通过Delaunay三角剖分算法，将待清扫区域拆分为多个三角形；
根据各个三角形的邻接关系，将邻接三角形的跨接边的中点顺序相连，得到中心骨架线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车辆的技术参数包括车辆宽度，所述以所述中心骨架线为基线，以车辆的技术参数为平移距离，分别向上和向下平移，得到第一折线集和第二折线集，具体包括：
以所述中心骨架线为基线，以车辆的宽度为平移距离，分别向上和向下平移，直至平移至待清扫区域的上下两侧的边缘为止，其中，向上平移得到的多条折线构成第一折线集，向下平移得到的多条折线构成第二折线集。
4.一种清扫路径规划装置，其特征在于，所述装置包括：
处理单元，所述处理单元用于对待清扫区域进行处理，得到所述待清扫区域的中心骨架线；
平移单元，所述平移单元用于以所述中心骨架线为基线，以车辆的技术参数为平移距离，分别向上和向下平移，得到第一折线集和第二折线集；所述技术参数为车辆的宽度；
所述处理单元还用于，对所述第一折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由远及近依次标记序号；对所述第二折线集中的折线按照距离中心骨架线的距离由近及远依次标记序号；对所述第一折线集中序号为i+1的折线和所述第二折线集中序号为i的折线进行拼接处理，得到待清扫区域第一侧的第一曲线集，对所述第一折线集中序号为i的折线和所述第二折线集中的序号为i的折线进行拼接处理，得到待清扫区域第二侧的第二曲线集；i为折线的序号；所述第一曲线集包括多条第一Dubins曲线；所述第二曲线集包括多条第二Dubins曲线；
拼接单元，所述拼接单元用于对所述第一折线集、所述第二折线集、所述第一曲线集和所述第二曲线集进行拼接，得到覆盖所述待清扫区域的原始规划路径；
所述处理单元还用于，对所述原始规划路径中的折线位置进行平滑处理，得到覆盖所述待清扫区域的目标规划路径。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述处理单元具体用于：
通过Delaunay三角剖分算法，将待清扫区域拆分为多个三角形；
根据各个三角形的邻接关系，将邻接三角形的跨接边的中点顺序相连，得到中心骨架线。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述平移单元具体用于：
以所述中心骨架线为基线，以车辆的宽度为平移距离，分别向上和向下平移，直至平移至待清扫区域的上下两侧的边缘为止，其中，向上平移得到的多条折线构成第一折线集，向下平移得到的多条折线构成第二折线集。
7.一种清扫路径规划设备，其特征在于，所述设备包括存储器和处理器，所述存储器用于存储程序，所述处理器用于执行权利要求1-3任一所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-3任一所述的方法。
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