CN114510056A - 室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法 - Google Patents

室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法 Download PDF

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陈书琦
占华程
严忠翔
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Abstract

本发明涉及一种室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法，从起始点和目标点开始进行双向搜索，依据搜索规则进行扩展，利用搜索过程中扩展节点估价函数f估计所有待遍历节点的优先级；根据评价方法对所有满足最小转向次数的路径进行评估，获得同时满足最小转向次数和最小实际移动代价g的路径作为最终全局最优路径。对现有基于图搜索的最优的最短路径规划技术扩展优化，不仅考虑了机器人行走路径最短，还考虑了运动过程的连续性；本发明中方法能够在栅格地图环境中自动化地规划一条同时满足最小转向次数和最小实际移动代价g的路径，同时在搜索过程中记住了路径转向的节点位置，为更高效的路径平滑处理提供了可能。

Description

室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法
技术领域
本发明涉及一种机器人导航技术，特别涉及一种室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法。
背景技术
自主定位导航是移动机器人的发展趋势，随着相关核心技术的日渐成熟，如今移动机器人在无人工干预的情况下能在各种复杂场景中实现智能移动。具备自主移动能力的机器人至少拥有定位、建图及路径规划的能力。路径规划技术综合各种性能评价指标，在地图空间中找到一条使机器人可以安全高效行走的路径，根据对环境信息的掌握不同，可将路径规划分为全局路径规划和局部路径规划，全局路径规划利用地图的先验信息可以找到次优或最优路径，全局路径将直接影响移动机器人的工作效率，是自主移动机器人的核心技术和重要研究问题。
发明内容
针对现有全局路径规划技术在栅格地图环境下规划出的路径存在折线多、不平滑的问题，提出了一种室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法，目标实现移动机器人规划出最平稳全局路径，同时满足最小转向次数和最小移动代价的最优路径。
本发明的技术方案为：一种室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法，根据已知地图信息初始化栅格地图；对初始化后栅格地图在搜索过程中全部所需数据结构进行预处理；从起始点和目标点开始进行双向搜索，计算起始点和目标点八邻域状态为空地的子节点，对所有子节点分别依据搜索规则进行扩展，利用搜索过程中扩展节点估价函数f估计所有待遍历节点的优先级；根据双向搜索结果判断是否找到最优路径，如果找到最优路径则直接结束搜索，否则继续执行后续搜索过程；选择前搜索过程中扩展节点估价函数f值最小的节点作为下一个待遍历的节点并展开搜索，搜索完成后不再考虑该节点并根据终止条件判断是否重复执行搜索步骤；完成搜索后，根据评价方法对所有满足最小转向次数的路径进行评估，获得同时满足最小转向次数和最小实际移动代价g的路径作为最终全局最优路径。
进一步，所述扩展节点估价函数f如下:
f(n)＝g(n)+h(n)，
Figure BDA0003511953520000021
Figure BDA0003511953520000022
其中起始点坐标(xstart,ystart)，目标点坐标(xtarget,ytarget)，当前扩展节点坐标(xn,yn)，f(n)为节点n的估价值，代表搜索过程中选择下一个遍历节点的优先级，g(n)为节点n距离每次搜索的起始点的实际移动代价，起始点包括起始目标点和转向点；抽象函数h为启发函数，当节点n为起始点的扩展节点时h(n)为n到目标点的估计移动代价，当节点n为目标点的扩展节点时h(n)为n到目标点的估计移动代价。
进一步，所述依据搜索规则进行扩展，具体为：
0<xn+1<row，0<yn+1<col且(xn+1,yn+1)节点未被障碍物占据：
xn+1＝2×xn-xn-1
yn+1＝2×yn-yn-1
其中下一个扩展节点坐标为(xn+1,yn+1)，当前节点坐标为(xn,yn)，上一节点坐标为(xn-1,yn-1),row为地图长度，col为地图宽度。
进一步，所述室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法，具体包括如下步骤：
1)初始化栅格地图，对每个栅格赋予多个状态包括：空地、静态障碍、起始点、目标点和规划路径，根据已知占据栅格地图中障碍物的位置信息，对障碍物进行膨胀，在膨胀地图中初始化当前位置和目标点位置并判断各点及其八邻域是否完全被障碍物占据，如果两点在地图中皆不为障碍物节点且各自存在状态为空地的八邻域子节点则视作初始化成功，建立全局规划地图；
2)对初始化后全局规划地图搜索过程中全部所需数据结构进行预处理，包括：使用结构体初始化容器open_list，结构体成员为待遍历的节点和已经遍历过的节点的位置及节点的估价值f、节点距离每次搜索的起始点的实际移动代价值g和节点到目标点的估计移动代价值h，然后将起始点和目标点存入open_list中,使用二维列表初始化容器close_list，使用结构体初始化一个容器path用来表示遍历过的节点的路径及到达该节点实际移动代价g，结构体成员为存放路径的节点集合及g值，使用二维列表初始化一个容器confluence_list表示路径转向点的位置和转向次数；
3)从起始点和目标点开始进行双向搜索，分别计算起始点和目标点八邻域状态为空地的子节点，作为待遍历节点放入open_list，并将起始点和目标点从open_list取出放入close_list，对所有子节点以遇到障碍物区域或地图边界为终止条件沿直线扩展：扩展过程中计算出的扩展节点及其f值、g值和h值放入open_list，并将从起始点和目标点到达扩展节点的路径节点集合和对应g值存入path中，所有子节点完成扩展后双向搜索结束；
4)根据双向搜索结果进行判断，如果起始点的扩展节点与目标点的扩展节点存在交汇点则表示成功搜索到可行路径，进入步骤7)；如双向搜索未到任何可行路径，进入步骤5)；
5)选择open_list中拥有最小f值的节点作为转向点进行搜索，将转向点的位置和转向次数存入confluence_list中，计算转向点状态为空地的子节点并对所有子节点以遇到在open_list中存在的节点、障碍物区域或地图边界和为终止条件沿直线扩展；
将扩展节点与对应的f值、g值和h值存入open_list并将从转向点到达扩展节点的路径节点集合和对应g值存入path中，搜索过程结束后将转向点从open_list取出并存入close_list中不再进行考虑，当搜索到起始点的扩展节点与目标点的扩展节点的交汇点后，更新该点在confluence_list中的转向次数和path中的路径集合及对应移动代价g；
6)重复执行步骤5)直到open_list为空；
7)从confluence_list中检索所有起始点的扩展节点与目标点的扩展节点的交汇点的转向次数，然后从path中检索交汇点对应的路径和移动代价g，对于存在唯一最小转向次数的路径是该路径为最优路径，或存在多个最小转向次数的路径时其中g最小的路径为最优路径，进而获得了使机器人移动过程最平稳的全局路径。
进一步，所述步骤4)中如果成功搜索到可行路径，则在可行路径中一定存在同时满足最小转向次数和最小实际移动代价g的最优路径。
本发明的有益效果在于：本发明室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法，对现有基于图搜索的最优的最短路径规划技术扩展优化，不仅考虑了机器人行走路径最短，还考虑了运动过程的连续性；本发明中提出的全局路径规划方法能够在栅格地图环境中自动化地规划一条同时满足最小转向次数和最小实际移动代价g的路径，同时在搜索过程中记住了路径转向的节点位置，为更高效的路径平滑处理提供了可能。获得使机器人移动过程最平稳且能够简化平滑处理操作的全局路径。
附图说明
图1为本发明室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法流程图，本发明的具体实施方法包括以下步骤：
步骤一、初始化栅格地图对每个栅格赋予多个状态包括：空地、静态障碍、起始点、目标点和规划路径，根据已知占据栅格地图中障碍物的位置信息对障碍物以比例为40：1膨胀，在膨胀地图中初始化当前位置和目标点位置并判断各点及其八邻域是否完全被障碍物占据，如果两点在地图中皆不为障碍物节点且各自存在状态为空地的八邻域子节点则视作初始化成功，建立分表率为0.05m的全局规划地图；
步骤二、对初始化后的全局规划地图搜索过程中全部所需数据结构进行预处理，包括：使用结构体初始化容器open_list，结构体成员为待遍历的节点和已经遍历过的节点的位置及节点的估价值f、节点距离每次搜索的起始点的实际移动代价值g和节点到目标点的估计移动代价值h，然后将起始点和目标点存入open_list中,使用二维列表初始化容器close_list，以遍历过的点的位置为索引存放g值，使用结构体初始化一个容器path用来表示遍历过的节点的路径及到达该节点实际移动代价g，结构体成员为存放路径的节点集合及g值，使用二维列表初始化一个容器confluence_list表示路径转向点的位置和转向次数；
步骤三、从起始点和目标点开始进行双向搜索，分别计算起始点和目标点八邻域状态为空地的子节点，作为待遍历节点放入open_list，并将起始点和目标点从open_list取出放入close_list，对所有子节点以遇到障碍物区域或地图边界为终止条件沿直线扩展：0<xn+1<row，0<yn+1<col且(xn+1,yn+1)节点未被障碍物占据：
xn+1＝2×xn-xn-1
yn+1＝2×yn-yn-1
其中下一个扩展节点坐标为(xn+1,yn+1)，当前节点坐标为(xn,yn)，上一节点坐标为(xn-1,yn-1),row为地图长度，col为地图宽度。扩展过程中计算扩展节点的f值:f(n)＝g(n)+h(n)
Figure BDA0003511953520000051
Figure BDA0003511953520000052
其中起始点坐标(xstart,ystart)，目标点坐标(xtarget,ytarget)，当前扩展节点坐标(xn,yn)，f(n)为节点n的估价值，代表搜索过程中选择下一个遍历节点的优先级；g(n)为节点n距离每次搜索的起始点(包括：起始目标点和转向点)的实际移动代价；抽象函数h为启发函数，当节点n为起始节点的扩展节点时h(n)为n到目标点的估计移动代价，当节点n为目标点的扩展节点时h(n)为n到目标点的估计移动代价。将计算出的扩展节点及其f值、g值和h值放入open_list(以节点的位置为索引)，并将从起始点和目标点到达扩展节点的路径节点集合和对应g值存入path中，所有子节点完成扩展后双向搜索结束；
步骤四、根据双向搜索结果进行判断，如果起始点的扩展节点与目标点的扩展节点存在交汇点则表示成功搜索到可行路径。双向搜索成功搜索到可行路径，找到的路径中一定存在同时满足最小转向次数和最小实际移动代价g的最优路径，进而步骤四结束后直接进入步骤七评估并找出最优路径。双向搜索未到任何可行路径，扩展搜索结束后起始点的扩展节点与目标点的扩展节点不存在交汇点，进而步骤四结束后进入步骤五；
步骤五、选择open_list中拥有最小f值的节点作为转向点进行搜索，将转向点的位置和转向次数存入confluence_list中，计算转向点状态为空地的子节点并对所有子节点以遇到在open_list中存在的节点、障碍物区域或地图边界和为终止条件沿直线扩展：
0<xn+1<row，0<yn+1<col,(xn+1,yn+1)节点未被障碍物占据且(xn+1,yn+1)不存在于open_list：
xn+1＝2×xn-xn-1
yn+1＝2×yn-yn-1
其中下一个扩展节点坐标为(xn+1,yn+1))，当前节点坐标为(xn,yn))，上一节点坐标为(xn-1,yn-1)),row为地图长度，col为地图宽度。将扩展节点与对应的f值、g值和h值存入open_list并将从转向点到达扩展节点的路径节点集合和对应g值存入path中，搜索过程结束后将转向点从open_list取出并存入close_list中不再进行考虑，当搜索到起始点的扩展节点与目标点的扩展节点的交汇点后更新该点在confluence_list中的转向次数和path中的路径集合及对应移动代价g，连接从起始点和目标点到达交汇点的路径并对实际移动代价g求和；
步骤六、重复执行步骤五直到open_list为空；
步骤七、从confluence_list中检索所有起始点的扩展节点与目标点的扩展节点的交汇点的转向次数，然后从path中检索交汇点对应的路径和移动代价g，对于存在唯一最小转向次数的路径的情况则该路径为最优路径，或存在多个最小转向次数的路径时其中g最小的路径为最优路径，进而获得了使机器人移动过程最平稳的全局路径。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法，其特征在于，根据已知地图信息初始化栅格地图；对初始化后栅格地图在搜索过程中全部所需数据结构进行预处理；从起始点和目标点开始进行双向搜索，计算起始点和目标点八邻域状态为空地的子节点，对所有子节点分别依据搜索规则进行扩展，利用搜索过程中扩展节点估价函数f估计所有待遍历节点的优先级；根据双向搜索结果判断是否找到最优路径，如果找到最优路径则直接结束搜索，否则继续执行后续搜索过程；选择前搜索过程中扩展节点估价函数f值最小的节点作为下一个待遍历的节点并展开搜索，搜索完成后不再考虑该节点并根据终止条件判断是否重复执行搜索步骤；完成搜索后，根据评价方法对所有满足最小转向次数的路径进行评估，获得同时满足最小转向次数和最小实际移动代价g的路径作为最终全局最优路径。
2.根据权利要求1所述室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法，其特征在于，所述扩展节点估价函数f如下:
f(n)＝g(n)+h(n)，
Figure FDA0003511953510000011
Figure FDA0003511953510000012
其中起始点坐标(xstart,ystart)，目标点坐标(xtarget,ytarget)，当前扩展节点坐标(xn,yn)，f(n)为节点n的估价值，代表搜索过程中选择下一个遍历节点的优先级，g(n)为节点n距离每次搜索的起始点的实际移动代价，起始点包括起始目标点和转向点；抽象函数h为启发函数，当节点n为起始点的扩展节点时h(n)为n到目标点的估计移动代价，当节点n为目标点的扩展节点时h(n)为n到目标点的估计移动代价。
3.根据权利要求2所述室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法，其特征在于，所述依据搜索规则进行扩展，具体为：
0<xn+1<row，0<yn+1<col且(xn+1,yn+1)节点未被障碍物占据：
xn+1＝2×xn-xn-1
yn+1＝2×yn-yn-1
其中下一个扩展节点坐标为(xn+1,yn+1)，当前节点坐标为(xn,yn)，上一节点坐标为(xn-1,yn-1),row为地图长度，col为地图宽度。
4.根据权利要求3所述室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)初始化栅格地图，对每个栅格赋予多个状态包括：空地、静态障碍、起始点、目标点和规划路径，根据已知占据栅格地图中障碍物的位置信息，对障碍物进行膨胀，在膨胀地图中初始化当前位置和目标点位置并判断各点及其八邻域是否完全被障碍物占据，如果两点在地图中皆不为障碍物节点且各自存在状态为空地的八邻域子节点则视作初始化成功，建立全局规划地图；
2)对初始化后全局规划地图搜索过程中全部所需数据结构进行预处理，包括：使用结构体初始化容器open_list，结构体成员为待遍历的节点和已经遍历过的节点的位置及节点的估价值f、节点距离每次搜索的起始点的实际移动代价值g和节点到目标点的估计移动代价值h，然后将起始点和目标点存入open_list中,使用二维列表初始化容器close_list，使用结构体初始化一个容器path用来表示遍历过的节点的路径及到达该节点实际移动代价g，结构体成员为存放路径的节点集合及g值，使用二维列表初始化一个容器confluence_list表示路径转向点的位置和转向次数；
3)从起始点和目标点开始进行双向搜索，分别计算起始点和目标点八邻域状态为空地的子节点，作为待遍历节点放入open_list，并将起始点和目标点从open_list取出放入close_list，对所有子节点以遇到障碍物区域或地图边界为终止条件沿直线扩展：扩展过程中计算出的扩展节点及其f值、g值和h值放入open_list，并将从起始点和目标点到达扩展节点的路径节点集合和对应g值存入path中，所有子节点完成扩展后双向搜索结束；
4)根据双向搜索结果进行判断，如果起始点的扩展节点与目标点的扩展节点存在交汇点则表示成功搜索到可行路径，进入步骤7)；如双向搜索未到任何可行路径，进入步骤5)；
5)选择open_list中拥有最小f值的节点作为转向点进行搜索，将转向点的位置和转向次数存入confluence_list中，计算转向点状态为空地的子节点并对所有子节点以遇到在open_list中存在的节点、障碍物区域或地图边界和为终止条件沿直线扩展；
将扩展节点与对应的f值、g值和h值存入open_list并将从转向点到达扩展节点的路径节点集合和对应g值存入path中，搜索过程结束后将转向点从open_list取出并存入close_list中不再进行考虑，当搜索到起始点的扩展节点与目标点的扩展节点的交汇点后，更新该点在confluence_list中的转向次数和path中的路径集合及对应移动代价g；
6)重复执行步骤5)直到open_list为空；
7)从confluence_list中检索所有起始点的扩展节点与目标点的扩展节点的交汇点的转向次数，然后从path中检索交汇点对应的路径和移动代价g，对于存在唯一最小转向次数的路径是该路径为最优路径，或存在多个最小转向次数的路径时其中g最小的路径为最优路径，进而获得了使机器人移动过程最平稳的全局路径。
5.根据权利要求4所述室内移动机器人的平稳移动全局路径规划方法，其特征在于，所述步骤4)中如果成功搜索到可行路径，则在可行路径中一定存在同时满足最小转向次数和最小实际移动代价g的最优路径。
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Barth A dynamic programming approach to robotic swarm navigation using relay markers

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