CN111735470B - 一种动态环境下的自动导引运输车路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,包括以下步骤:获取起点和终点信息以及动态环境信息;利用所述动态环境信息、起点和终点信息,通过栅格法进行动态环境建模,构建栅格环境地图,并引入时间参数对栅格环境地图进行描述;基于时间参数构建A*算法;根据基于时间参数的A*算法得到路径作为规划路径输出给自动导引运输车;基于时间参数构建的A*算法在速度上非常快,其归因于该算法搜索的是二维栅格图,虽然其中包含着时间维度,但其搜索的栅格数与静态的相同。在效果方面,当环境处于非拥挤状态时,该算法不会产生碰撞,且在遇到障碍时更倾向于绕路行驶,对于码头货物运输场景非常合适,且安全。
Description
技术领域
本发明涉及路径规划技术领域,尤其涉及一种动态环境下的自动导引运输车路径规划方法。
背景技术
自动导引路径规划问题一般处理已知环境情况和未知环境情况。现有许多算法可以解决其路径规划问题,但对于动态环境下的(移动障碍物)路径规划问题,算法无法快速地解决该场景下的问题,且给出的规划路线会有碰撞的可能。
如一般的A*算法结合了深度搜索和广度搜索的优点,使得寻路算法可以在保证速度的情况下大概率地找到解。但A*算法无法处理动态环境的问题。并且在复杂的环境下,A*算法的搜索效率会变低。
发明内容
鉴于目前存在的上述不足,本发明提供一种动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,基于时间维度构建的A*算法进行路径规划,其搜索的栅格数与静态的相同,在速度上非常快,规避动态障碍物,适用多种运输车的场景,安全性高。
为达到上述目的,本发明的实施例采用如下技术方案:
一种动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,所述动态环境下的自动导引运输车路径规划方法包括以下步骤:
获取起点和终点信息以及动态环境信息;
利用所述动态环境信息、起点和终点信息,通过栅格法进行动态环境建模,构建栅格环境地图,并引入时间参数对栅格环境地图进行描述;
基于时间参数构建A*算法;
根据基于时间参数的A*算法得到路径作为规划路径输出给自动导引运输车。
依照本发明的一个方面,所述通过栅格法进行动态环境建模,构建栅格环境地图,并引入时间参数对栅格环境地图进行描述具体为:
记环境地图E为一矩形,其左下角为坐标原点,X轴正方向向右,Y轴正方向向上,为E的长,为E的宽;以w为步长将E切割成栅格,每一行栅格数为,每一列栅格数为;设任意栅格为,为所在的行列表示,其中,,栅格划分为自由栅格集M与障碍栅格集Q,M集可以被规划,Q集不允许被通过;
依照本发明的一个方面,所述路径集P中的时间t是由规划物移动速度v以及移动距离s计算得出。
依照本发明的一个方面,所述基于时间参数构建A*算法具体为:
是坐标的当前栅格,到达时间为t,是由起始栅格到号栅格的实际代价值,是由号栅格到目标栅格的估计代价值;值为权重系数,用来控制与的占比;表示从当前栅格到目标栅格的方向的小范围路段的繁忙程度函数,用该路段在未来个单位时间内通过距离范围的障碍物数来刻画,。
依照本发明的一个方面,所述基于时间参数构建A*算法包括:更改对于障碍物的判断,在二维栅格图中表示的障碍物依旧可以通过,只要确保通过的时间与该障碍物所处的时间不一致即可。
本发明实施的优点:本发明所述的动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,包括以下步骤:获取起点和终点信息以及动态环境信息;利用所述动态环境信息、起点和终点信息,通过栅格法进行动态环境建模,构建栅格环境地图,并引入时间参数对栅格环境地图进行描述;基于时间参数构建A*算法;根据基于时间参数的A*算法得到路径作为规划路径输出给自动导引运输车;基于时间参数构建的A*算法在速度上非常快,其归因于该算法搜索的是二维栅格图,虽然其中包含着时间维度,但其搜索的栅格数与静态的相同。在效果方面,当环境处于非拥挤状态时,该算法不会产生碰撞,且在遇到障碍时更倾向于绕路行驶,对于码头货物运输场景非常合适,且安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的一种动态环境下的自动导引运输车路径规划方法示意图;
图2为本发明所述的计算繁忙程度函数示例示意图;
图3为本发明实施例所述的仿真应用示例环境地图示意图;
图4为本发明实施例所述的仿真应用示例路径规划示意图;
图5为本发明实施例所述的Busy_A*算法运行结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1、图2、图3、图4和图5所示,一种动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,所述动态环境下的自动导引运输车路径规划方法包括以下步骤:
步骤S1:获取起点和终点信息以及动态环境信息;
本实施例所述的动态环境下的自动导引运输车路径规划方法可以应用在例如码头货物运输、仓储物流运输等各个需要运输车的场景,在应用到不同场景时,通过场景布置的传感器、信号标等获得场景动态环境信息,同时获得每个运输车所在及运输车的任务信息,从而获得起点和终点信息。
步骤S2:利用所述动态环境信息、起点和终点信息,通过栅格法进行动态环境建模,构建栅格环境地图,并引入时间参数对栅格环境地图进行描述;
记环境地图E为一矩形,其左下角为坐标原点,X轴正方向向右,Y轴正方向向上。为E的长,为E的宽。以w为步长将E切割成栅格。每一行栅格数为,每一列栅格数为。将E划分成栅格图,设任意栅格为,为所在的行列表示,其中。栅格划分为自由栅格集M与障碍栅格集Q。M集可以被规划,Q集不允许被通过。现已知起始栅格,目标栅格,障碍物集Q,需要找到一条由自由栅格组成的路径集P,其中起点为起始栅格,终点为目标栅格。
对于已知动态环境,需要加入时间t来描述环境。整个环境E依旧使用3.1.1中的栅格划分来进行构造。环境E划分成栅格;任意栅格为;自由栅格集为M;障碍栅格集为Q;起始栅格为;目标栅格为;路径集为P。现对其中三个量加入t方便描述:
3)路径集:P中的每个元素需要加入时间变量来表示规划物位于该位置的时间,方便检测是否与移动障碍物发生碰撞。,其中为规划至的时刻。路径集中的时间t是由的规划物移动速度v以及移动距离s计算得出。现为方便建模,假设规划物只能上下左右直线运动,且移动速度为匀速,不存在转弯,启动,停止等时间消耗。设单位时间为,表示每移动一个栅格所耗费的时间。
步骤S3:基于时间参数构建A*算法;
是坐标的当前栅格,到达时间为t,是由起始栅格到号栅格的实际代价值,是由号栅格到目标栅格的估计代价值;值为权重系数,用来控制与的占比;表示从当前栅格到目标栅格的方向的小范围路段的繁忙程度函数,用该路段在未来个单位时间内通过距离范围的障碍物数来刻画,。
以下对繁忙程度函数进行举例说明。
步骤S4:根据基于时间参数的A*算法得到路径作为规划路径输出给自动导引运输车。
本实施例所述的基于时间参数的A*算法与常规A*算法步骤基本一致,在起始化阶段加入来记录搜索的当前栅格的时间,从而根据与障碍物时间信息的对比来计算。并且基于时间参数的A*算法去除了A*算法中对于障碍物的判断,因为在二维栅格图中表示的障碍物依旧可以通过,只要通过的时间与该障碍物所处的时间不一致即可。
在实际应用中,所述基于时间参数的A*算法可称为Busy_A*,实际应用中的部分源代码可如下:
表1 Busy_A*伪代码
本实施例所述的动态环境下的自动导引运输车路径规划方法可包括如下仿真应用示例:
在仿真应用中,对一般动态障碍物进行模拟仿真,并给出在大规模运算中的迭代次数和搜索格子数,仿真软件为python3.6,仿真环境为栅格图,为方便模拟,假设运输车在栅格图的节点处运动,Busy_A*算法中使用的启发函数为:
如图3所示,模拟动静障碍物结合的环境为的栅格图,其中黑色圆点为固定障碍物,(0,2)为起点,(2,9)为终点。浅色线为2号运输车的路径,节点上的数字为2号运输车在该点的时刻。现设置1号运输车在1时刻才能开始从起点运动。
先将起点(2,0,0),终点(2,9)以及各个障碍栅格输入算法中进行运算。可以得到如下结果:如图4易知,Busy_A*算法中1号运输车通过绕路的方式避开在点与2号运输车碰撞,并在最终绕开2号运输车到达目标点; Busy_A*算法搜索的格子数少,算法用时少,且能避开障碍物。如图5所示,为算法代码运行结果。
本发明实施的优点:本发明所述的动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,包括以下步骤:获取起点和终点信息以及动态环境信息;利用所述动态环境信息、起点和终点信息,通过栅格法进行动态环境建模,构建栅格环境地图,并引入时间参数对栅格环境地图进行描述;基于时间参数构建A*算法;根据基于时间参数的A*算法得到路径作为规划路径输出给自动导引运输车;基于时间参数构建的A*算法在速度上非常快,其归因于该算法搜索的是二维栅格图,虽然其中包含着时间维度,但其搜索的栅格数与静态的相同。在效果方面,当环境处于非拥挤状态时,该算法不会产生碰撞,且在遇到障碍时更倾向于绕路行驶,对于码头货物运输场景非常合适,且安全。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,其特征在于,所述动态环境下的自动导引运输车路径规划方法包括以下步骤:
获取起点和终点信息以及动态环境信息;
利用所述动态环境信息、起点和终点信息,通过栅格法进行动态环境建模,构建栅格环境地图,并引入时间参数对栅格环境地图进行描述;
基于时间参数构建A*算法,具体包括:通过在启发式函数F(ni)中加入从当前栅格ni到目标栅格方向的小范围路段的繁忙程度函数,并分配权重系数,所述繁忙程度函数用该路段在未来k个单位时间内通过l距离范围的障碍物数来刻画;
根据基于时间参数的A*算法得到路径作为规划路径输出给自动导引运输车。
2.根据权利要求1所述的动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,其特征在于,所述通过栅格法进行动态环境建模,构建栅格环境地图,并引入时间参数对栅格环境地图进行描述具体为:
记环境地图E为一矩形,其左下角为坐标原点,X轴正方向向右,Y轴正方向向上,Xmax为E的长,Ymax为E的宽;以w为步长将E切割成栅格,每一行栅格数为每一列栅格数为设任意栅格为ni=(xi,yi),(xi,yi)为ni所在的行列表示,其中,1≤i≤Nx×Ny,0≤xi<Nx,0≤yi<Ny,xi∈Z,yi∈Z,i∈Z,栅格划分为自由栅格集M与障碍栅格集Q,M集可以被规划,Q集不允许被通过;
设起始栅格为(xs,ys),目标栅格为(xe,ye),路径集为P,引入时间参数后得:
起始栅格描述为ns=(xs,ys,ts),s∈Z,ts为规划起始时间;
障碍栅格集Q中的每个元素Qi描述为Qi=(xi,yi,ti)∈Q,其中ti为障碍物Qi位于(xi,yi)的时刻;
路径集P中的每个元素pi描述为pi=(xi,yi,ti)∈M,其中ti为规划至(xi,yi)的时刻。
3.根据权利要求2所述的动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,其特征在于,所述路径集P中的时间t是由规划物移动速度v以及移动距离s计算得出。
4.根据权利要求2所述的动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,其特征在于,所述基于时间参数构建A*算法具体为:
构建由起始栅格(xs,ys)经ni号栅格到达目标栅格(xe,ye)的代价函数值F(ni),公式如下:
F(ni)=G(ni)+αH(ni)+βD(ni,k,l)
ni是坐标(xi,yi)的当前栅格,到达时间为t,G(ni)是由起始(xs,ys)栅格到ni号栅格的实际代价值,H(ni)是由ni号栅格到目标栅格(xe,ye)的估计代价值;值α,β为权重系数,用来控制H(ni)与D(ni,k,l)的占比;D(ni,k,l)表示从当前栅格ni到目标栅格(xe,ye)的方向的小范围路段的繁忙程度函数,用该路段在未来k个单位时间内通过l距离范围的障碍物数来刻画,k,l∈Z,0≤l≤min(Nx,Ny)。
6.根据权利要求5所述的动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,其特征在于,所述繁忙程度函数D(ni,k,l)的特征包括:k决定了探索的时间范围,l决定了探索的空间范围,k,l的数值越大,搜索的范围越大,则搜索效率越低。
7.根据权利要求4至6之一所述的动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,其特征在于,所述基于时间参数构建A*算法包括:在起始化阶段加入t=ts来记录搜索的当前栅格ni的时间,从而根据与障碍物时间信息的对比来计算D(ni,k,l)。
8.根据权利要求7所述的动态环境下的自动导引运输车路径规划方法,其特征在于,所述基于时间参数构建A*算法包括:更改对于障碍物的判断,在二维栅格图中表示的障碍物依旧可以通过,只要确保通过的时间与该障碍物所处的时间不一致即可。
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