CN115373406B - 一种爬行机器人越障方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，公开了一种爬行机器人越障方法及系统：在机器人行驶过程中，若在机器人行驶方向上的目标区域内检测到障碍物，则获取机器人当前的第一位置、第一速度，获取障碍物的第二位置和第二速度；根据第一位置、第一速度、第二位置和第二速度，计算机器人和障碍物有一条坐标轴的坐标相等时的运动时间T；计算运动时间T时，机器人的中心点到障碍物的中心点的距离D_RO；若距离D_RO大于或等于阈值THR，则控制机器人以第一速度继续行驶；若距离D_RO小于阈值THR，则控制机器人以匀变速直线运动的方式行驶。本发明解决了机器人越障时未完全考虑机器人和障碍物的实际情况，判断的灵活性差、反应速度慢的问题。

Description

一种爬行机器人越障方法及系统

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种爬行机器人越障方法及系统。

背景技术

近年来，AI（Artificial Intelligence，人工智能）技术不断发展，机器人在人们生活中的应用也越来越广泛，比如扫地机器人，搬运机器人等，给人们的生活提供了便利。

随着机器人所要完成的工作内容的复杂程度的增加，机器人的工作环境也越来越复杂，为了适应复杂多变的工作环境，在工作过程中避免与周围的障碍物发生碰撞是一项极为关键的任务。目前存在的避障方法主要是考虑机器人自身的位姿，判断以机器人当前的姿势是否可以成功避开障碍物，避障方法单一，未完全考虑机器人和障碍物的实际情况，判断的准确性和灵活性较差，且计算量也较大，导致机器人反应速度慢。

因此，提供一种爬行机器人越障方法及系统，以提高机器人避免与障碍物碰撞的灵活性和反应速度，是亟待解决的问题。

发明内容

针对上述提出的技术问题，本发明提供一种爬行机器人越障方法及系统，旨在根据机器人和障碍物的实际运动情况进行机器人越障，以提高机器人越障的灵活性。

第一方面，本发明提供了一种爬行机器人越障方法，该方法包括：

在机器人行驶过程中，若在机器人行驶方向上的目标区域内检测到障碍物，则获取机器人当前的第一位置、第一速度，获取障碍物的第二位置和第二速度；

根据第一位置、第一速度、第二位置和第二速度，计算机器人和障碍物有一条坐标轴的坐标相等时的运动时间T；

计算运动时间T时，机器人的中心点到障碍物的中心点的距离D_RO；

若距离D_RO大于或等于阈值THR，则控制机器人以第一速度继续行驶；

若距离D_RO小于阈值THR，则控制机器人以匀变速直线运动的方式行驶。

具体地，获取障碍物的顶端距离地平面的第一高度值H1,确定在第一高度值H1处，机器人的最大直径D_R。

具体地，若机器人与障碍物是纵坐标相等，则阈值THR为：

若机器人与障碍物是横坐标相等，则阈值THR为：

其中，K2>K1≥1，D_O为障碍物的最大直径。

具体地，若距离D_RO小于阈值THR时，则控制机器人以匀变速直线运动的方式行驶，包括：

若机器人和障碍物是纵坐标相等，则控制机器人以第一加速度a1匀加速行驶；

若机器人和障碍物是横坐标相等，则控制机器人以第二加速度a2匀减速行驶。

具体地，若机器人与障碍物是纵坐标相等，则根据如下公式计算第一加速度a1：

其中，

，v_R为第一速度，v_O为第二速度，（x_R,y_R）为第一位置的坐标，（x_O,y_O）为第二位置的坐标，θ为障碍物的运动方向与Y坐标轴的夹角。

具体地，若机器人与障碍物是横坐标相等，则根据如下公式计算第二加速度a2：

其中，

，v_R为第一速度，v_O为第二速度，（x_R,y_R）为第一位置的坐标，（x_O,y_O）为第二位置的坐标，θ为障碍物的运动方向与Y坐标轴的夹角。

具体地，若机器人与障碍物是纵坐标相等，机器人越过障碍物之后，控制机器人以匀变速直线运动的方式匀减速行驶，当机器人的行驶速度达到第一速度后，控制机器人以第一速度继续行驶。

具体地，若机器人与障碍物是横坐标相等，机器人越过障碍物之后，控制机器人以匀变速直线运动的方式匀加速行驶，当机器人的行驶速度达到第一速度后，控制机器人以第一速度继续行驶。

第二方面，本发明还提供了一种爬行机器人越障系统，该系统包括：

信息获取模块，用于在机器人行驶过程中，若在机器人行驶方向上的目标区域内检测到障碍物，则获取机器人当前的第一位置、第一速度，获取障碍物的第二位置和第二速度；

数据计算模块，用于根据第一位置、第一速度、第二位置和第二速度，计算机器人和障碍物有一条坐标轴的坐标相等时的运动时间T；计算运动时间T时，机器人的中心点到障碍物的中心点的距离D_RO；

越障控制模块，用于在获得距离D_RO后，确定机器人的行驶方式，

若距离D_RO大于或等于阈值THR，则控制机器人以第一速度继续行驶；

若距离D_RO小于阈值THR，则控制机器人以匀变速直线运动的方式行驶。

本发明公开一种爬行机器人越障方法及系统，在机器人行驶过程中，根据机器人和障碍物的实际运动情况实时调整机器人的行驶速度，在避免机器人与障碍物相碰撞的同时保证机器人的正常行驶，提高了机器人越障的准确性和灵活性，提升用户体验。

附图说明

图1为本发明的一种爬行机器人越障方法的流程图；

图2A为本发明的机器人与障碍物是纵坐标相等时的相位关系图；

图2B为本发明的机器人与障碍物是横坐标相等时的相位关系图；

图3为本发明的一种爬行机器人越障系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明经行进一步的详细说明。显然，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术普通人员在没有做出创造性劳动的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。

图1所示是本发明提供的一种爬行机器人越障方法的一个实施例的流程图，该流程图具体包括：

步骤1、在机器人行驶过程中，若在机器人行驶方向上的目标区域内检测到障碍物，则获取机器人当前的第一位置、第一速度，获取障碍物的第二位置和第二速度。

目标区域可以为机器人行驶方向上满足预设条件的位置区域，预设条件包括与机器人之间的距离小于或等于预设距离阈值，预设距离阈值可以是系统预先设置的默认参数，也可以通过获取用户输入的指令确定的参数。

机器人的机身上安装有传感器，以获取机器人自身的位置信息和速度信息、以及障碍物的位置信息和速度信息，也可以通过安装在环境中某些固定位置的传感器获得障碍物的位置信息和速度信息。

具体地，以发现障碍物时机器人的中心点做为原点建立坐标系，以机器人行驶的方向做为Y轴方向，与机器人行驶方向相垂直的水平方向的直线为X轴。示例性地，机器人的坐标为（x_R,y_R），运动速度为v_R，机器人的运行方向为沿Y轴方向运动，障碍物的坐标为（x_O,y_O），运动速度为v_O，障碍物的运动方向与Y轴的夹角为θ。

步骤2、根据第一位置、第一速度、第二位置和第二速度，计算机器人和障碍物有一条坐标轴的坐标相等时的运动时间T。

步骤3、计算运动时间T时，机器人的中心点到障碍物的中心点的距离D_RO。

具体地，若机器人与障碍物是纵坐标相等，说明机器人与障碍物是在水平方向上相遇，两者在垂直方向上的运动距离之和为

,则运动时间T为：

机器人的中心点到障碍物的中心点的距离D_RO为：

具体地，若机器人与障碍物是横坐标相等，说明机器人与障碍物是在垂直方向上相遇，两者在水平方向的运动距离之和为

，则运动时间T为：

机器人的中心点到障碍物的中心点的距离D_RO为：

步骤4、若距离D_RO大于或等于阈值THR，则控制机器人以第一速度继续行驶。

若距离D_RO小于阈值THR，则控制机器人以匀变速直线运动的方式行驶。

当机器人的中心点到障碍物的中心点的距离大于或等于阈值时，表明机器人与障碍物不会发生碰撞，此时机器人以第一速度继续行驶即可顺利越过障碍物；若机器人的中心点到障碍物的中心点的距离小于阈值，则表明机器人与障碍物相遇时没有足够的安全距离，此时机器人继续以第一速度行驶遇到障碍物时容易造成碰撞损坏。为了避免机器人与障碍物，控制机器人以匀变速直线运动的方式行驶，保证机器人与障碍物相遇时保持安全距离。

具体地，获取障碍物的顶端距离地平面的第一高度值H1,确定在第一高度值H1处，机器人的最大直径D_R。

机器人和障碍物的形状都可能是不规则的，为便于计算，本发明实施例将机器人和障碍物都构建为简单的几何模型，比如圆柱体、四面体、长方体等。示例性地，若机器人的高度比障碍物的高度高，则只要保证与障碍物相同高度部分的机器人部分通过即可，此时只用考虑与障碍物相同高度部分的机器人主体形状；若机器人的高度比障碍物的高度低，则要考虑机器人整体的形状。

具体地，若机器人与障碍物是纵坐标相等，则阈值THR为：

若机器人与障碍物是横坐标相等，则阈值THR为：

其中，K2>K1≥1，D_O为障碍物的最大直径。

当机器人与障碍物是纵坐标相等时，两者是先在水平方向上相遇，相遇之后两者之间的距离会越来越远；当机器人与障碍物是横坐标相等时，两者是先在垂直方向上相遇，相遇之后两者之间的距离会先变近再变远，因此，为确保机器人和障碍物相互运动过程中不碰撞，设定系数K2大于K1，控制垂直方向上相遇时的距离阈值大于水平方向上相遇时的距离阈值。K1和K2的数值大小是本领域技术人员根据经验或根据多次实验所得的一个最优值，也可以是本领域技术人员根据实际的应用场景按照各参数的阈值范围进行设置的。

具体地，若距离D_RO小于阈值THR时，则控制机器人以匀变速直线运动的方式行驶，包括：

若机器人和障碍物是纵坐标相等，则控制机器人以第一加速度a1匀加速行驶；

若机器人和障碍物是横坐标相等，则控制机器人以第二加速度a2匀减速行驶。

具体地，若机器人与障碍物是纵坐标相等，则根据如下公式计算第一加速度a1：

其中，

，v_R为第一速度，v_O为第二速度，（x_R,y_R）为第一位置的坐标，（x_O,y_O）为第二位置的坐标，θ为障碍物的运动方向与Y坐标轴的夹角。

具体地，若机器人与障碍物是纵坐标，机器人越过障碍物之后，控制机器人以匀变速直线运动的方式匀减速行驶，当机器人的行驶速度达到第一速度后，控制机器人以第一速度继续行驶。

示例性地，机器人与障碍物是纵坐标相等时两者的相位关系如图2A所示，其中，需要说明的是图2A所示的机器人与障碍物纵坐标相等时的相位关系是一种示例说明，仅是为了说明本申请实施例的技术方案，并不构成对本申请实施例的技术方案的限定。如图2A所示，机器人与障碍物是纵坐标相等时，两者是先在水平方向上相遇，此时障碍物位于机器人的右侧，相遇之后机器人继续沿Y轴方向向上行驶，障碍物向机器人的左下方方向行驶，机器人的位置会位于障碍物的上方。当机器人与障碍物纵坐标相等，机器人的中心点到障碍物的中心点的距离小于阈值时，说明机器人和障碍物相遇时会发生碰撞。由于机器人与障碍物相遇之后机器人就会位于障碍物的上方，若能保证机器人提前通过以第一速度行驶时的相遇点，使机器人与障碍物纵坐标相等时，机器人的中心点到障碍物的中心点之间的距离等于阈值，则可以保证机器人顺利越过障碍物，避免发生碰撞。具体地，控制机器人匀加速直线行驶，使机器人与障碍物纵坐标相等时，机器人的中心点到障碍物的中心点之间的距离等于阈值，使机器人成功越过障碍物，有效提高机器人越障的成功率。

具体地，若机器人与障碍物是横坐标相等，则根据如下公式计算第二加速度a2：

其中，

，v_R为第一速度，v_O为第二速度，（x_R,y_R）为第一位置的坐标，（x_O,y_O）为第二位置的坐标，θ为障碍物的运动方向与Y坐标轴的夹角。

具体地，若机器人与障碍物是横坐标相等，机器人越过障碍物之后，控制机器人以匀变速直线运动的方式匀加速行驶，当机器人的行驶速度达到第一速度后，控制机器人以第一速度继续行驶。

示例性地，机器人与障碍物是横坐标相等时两者的相位关系如图2B所示，其中，需要说明的是图2B所示的机器人与障碍物横坐标相等时的相位关系是一种示例说明，仅是为了说明本申请实施例的技术方案，并不构成对本申请实施例的技术方案的限定。如图2B所示，机器人与障碍物是横坐标相等时，两者先在垂直方向上相遇，此时障碍物位于机器人的上方，相遇之后机器人继续沿Y轴方向向上行驶，障碍物向机器人的左下方方向行驶，两者之间的距离先变小后变大，即相遇之后机器人先位于障碍物的下方，随后又位于机器人的上方。当机器人与障碍物横坐标相等，机器人的中心点到障碍物的中心点的距离小于阈值时，说明机器人和障碍物相遇时会发生碰撞。由于相遇时障碍物位于机器人的上方，若减小机器人的行驶速度，确保机器人与障碍物横坐标相等时，机器人的中心点到障碍物的中心点的距离等于阈值，则可以避免发生碰撞。具体地，控制机器人匀减速直线行驶，使机器人与障碍物横坐标相等时，机器人的中心点到障碍物的中心点的距离等于阈值，使机器人成功越过障碍物，有效提高机器人越障的成功率。

图3所示是本发明提供的一种爬行机器人越障系统的一个实施例的结构示意图。如图3所示，该系统包括：

信息获取模块10，用于在机器人行驶过程中，若在机器人行驶方向上的目标区域内检测到障碍物，则获取机器人当前的第一位置、第一速度，获取障碍物的第二位置和第二速度；

数据计算模块20，用于根据第一位置、第一速度、第二位置和第二速度，计算机器人和障碍物有一条坐标轴的坐标相等时的运动时间T；计算运动时间T时，机器人的中心点到障碍物的中心点的距离D_RO；

越障控制模块30，用于在获得距离D_RO后，确定机器人的行驶方式，

若距离D_RO大于或等于阈值THR，则控制机器人以第一速度继续行驶；

若距离D_RO小于阈值THR，则控制机器人以匀变速直线运动的方式行驶。

以上上述的实施例仅表达了本发明的实施优选方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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 (6)

1.一种爬行机器人越障方法，其特征在于，包括如下的步骤：

在机器人行驶过程中，若在所述机器人行驶方向上的目标区域内检测到障碍物，则获取所述机器人当前的第一位置、第一速度，获取所述障碍物的第二位置和第二速度；

根据所述第一位置、所述第一速度、所述第二位置和所述第二速度，计算所述机器人与所述障碍物有一条坐标轴的坐标相等时的运动时间T；

计算运动时间T时，所述机器人的中心点到所述障碍物的中心点的距离D_RO；

若所述距离D_RO大于或等于阈值THR，则控制所述机器人以所述第一速度继续行驶；

若所述距离D_RO小于所述阈值THR，则控制所述机器人以匀变速直线运动的方式行驶；

获取所述障碍物的顶端距离地平面的第一高度值H1,确定在所述第一高度值H1处，所述机器人的最大直径D_R ；

若所述机器人与所述障碍物是纵坐标相等，则所述阈值THR为：

若所述机器人与所述障碍物是横坐标相等，则所述阈值THR为：

其中，K2>K1≥1，D_O为所述障碍物的最大直径；

所述若所述距离D_RO小于所述阈值THR，则控制所述机器人以匀变速直线运动的方式行驶，包括：

若所述机器人和所述障碍物是纵坐标相等，则控制所述机器人以第一加速度a1匀加速行驶；

若所述机器人和所述障碍物是横坐标相等，则控制所述机器人以第二加速度a2匀减速行驶。

2.根据权利要求1所述的一种爬行机器人越障方法，其特征在于，若所述机器人与所述障碍物是纵坐标相等，则根据如下公式计算所述第一加速度a1：

其中，

，v_R为所述第一速度，v_O为所述第二速度，（x_R,y_R）为所述第一位置的坐标，（x_O,y_O）为所述第二位置的坐标，θ为所述障碍物的运动方向与Y坐标轴的夹角。

3.根据权利要求1所述的一种爬行机器人越障方法，其特征在于，若所述机器人与所述障碍物是横坐标相等，则根据如下公式计算所述第二加速度a2：

其中，

，v_R为所述第一速度，v_O为所述第二速度，（x_R,y_R）为所述第一位置的坐标，（x_O,y_O）为所述第二位置的坐标，θ为所述障碍物的运动方向与Y坐标轴的夹角。

4.根据权利要求2所述的一种爬行机器人越障方法，其特征在于，所述机器人越过所述障碍物之后，控制所述机器人以匀变速直线运动的方式匀减速行驶，当所述机器人的行驶速度达到所述第一速度后，控制所述机器人以所述第一速度继续行驶。

5.根据权利要求3所述的一种爬行机器人越障方法，其特征在于，所述机器人越过所述障碍物之后，控制所述机器人以匀变速直线运动的方式匀加速行驶，当所述机器人的行驶速度达到所述第一速度后，控制所述机器人以所述第一速度继续行驶。

6.一种爬行机器人越障系统，用于实现如权利要求1-5任一项所述的方法其特征在于，包括：

信息获取模块，用于在机器人行驶过程中，若在所述机器人行驶方向上的目标区域内检测到障碍物，则获取所述机器人当前的第一位置、第一速度，获取所述障碍物的第二位置和第二速度；

数据计算模块，用于根据所述第一位置、所述第一速度、所述第二位置和所述第二速度，计算所述机器人和所述障碍物有一条坐标轴的坐标相等时的运动时间T；计算运动时间T时，所述机器人的中心点到所述障碍物的中心点的距离D_RO；

越障控制模块，用于在获得所述距离D_RO后，确定所述机器人的行驶方式，

若所述距离D_RO大于或等于阈值THR，则控制所述机器人以所述第一速度继续行驶；

若所述距离D_RO小于所述阈值THR，则控制所述机器人以匀变速直线运动的方式行驶；

获取所述障碍物的顶端距离地平面的第一高度值H1,确定在所述第一高度值H1处，所述机器人的最大直径D_R ；

若所述机器人与所述障碍物是纵坐标相等，则所述阈值THR为：

若所述机器人与所述障碍物是横坐标相等，则所述阈值THR为：

其中，K2>K1≥1，D_O为所述障碍物的最大直径；

所述若所述距离D_RO小于所述阈值THR，则控制所述机器人以匀变速直线运动的方式行驶，包括：

若所述机器人和所述障碍物是纵坐标相等，则控制所述机器人以第一加速度a1匀加速行驶；

若所述机器人和所述障碍物是横坐标相等，则控制所述机器人以第二加速度a2匀减速行驶。

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