CN115509240A - 一种基于可通行区域的路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可通行区域的路径规划方法，首先，获取场景内所有矩形可通行区域的四个端点栅格坐标，计算每个矩形可通行区域的中间路线；其次，将所有中间路线以交点为界限，转化为若干路径段，再利用圆弧或样条曲线平滑连接两条以一定角度相交的路径段；最后，利用样条曲线平滑连接货位点与其邻近的路径段。本发明根本性地从可通行区域本身出发，利用其中间路线形成若干相交的路径段，再与其进行平滑连接，最后，利用样条曲线平滑连接货位点与其邻近的路径段，便捷、快速地获取路径规划的最优解。
Description
技术领域
本发明涉及路径规划技术领域，尤其是一种基于可通行区域的路径规划方法。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，各种类型的机器人逐步在各行各业得到广泛应用，给生产、生活带来了极大便利。当前AGV在进行自主作业前，需要建立工作场景的栅格地图（即建图）并同时进行作业路径的规划。为了提高AGV部署效率，需要提高建图以及路径规划等流程的自动化程度，利用建图数据生成矩形可通行区域，可以更方便地完成路径规划任务。
2016年5月25日授权公告的发明专利CN103528585B公开了一种不等距分割可通行区域的路径规划方法，主要针对飞行器的航迹规划，与AGV路径规划的应用场景存在较大不同。
2021年5月28日授权公告的发明专利CN110823241B公开了一种基于可通行区域骨架提取的机器人路径规划方法及系统，可通行区域的基础上，利用A*搜寻算法进行路径规划。2021年6月公开辽宁工程技术大学的硕士学位论文《面向车辆野外路径规划的可通行区域建模与路径计算》也是在可通行区域的基础上利用A*搜寻算法进行路径规划。
A*搜寻算法俗称A星算法，是比较流行的启发式搜索算法之一，被广泛应用于路径优化领域。A星算法的独特之处在于，检查最短路径中每个可能的节点时引入了全局信息，对当前节点距终点的距离做出估计，并作为评价该节点处于最短路线上可能性的量度。A星算法需要用栅格地图对搜寻区域进行划分，这是寻路的第一步，将搜索区域简化为 2 维数组，数组的每一项代表一个方格，它的状态分为可走和不可走，通过计算从起点到终点 需要走过哪些方格，找到路径。然而，对于当前所处方格，都需要搜索八个邻居方格，计算移动到该方格的移动代价G以及从该方格移动到终点 的估算成本H，计算量较大。
发明内容
针对基于可通行区域的路径规划方法并未充分利用在先生成的可通行区域，仍采用A星算法进行路径规划的问题，本发明提出一种不同于以往的基于可通行区域的路径规划方法。
一种基于可通行区域的路径规划方法，包括以下步骤：
首先，获取场景内所有矩形可通行区域的四个端点栅格坐标，计算每个矩形可通行区域的中间路线；
其次，将所有中间路线以交点为界限，转化为若干路径段，再利用圆弧或样条曲线平滑连接两条以一定角度相交的路径段；
最后，利用样条曲线平滑连接货位点与其邻近的路径段。
进一步的，将路径段的交点称之为交叉中心点，每个交叉中心点连接两条以上路径段；
当连接在同一交叉中心点的两条路径段之间存在一定夹角时，先在距离交叉中心点设定范围（大于AGV最小转弯半径且小于所在路径段的半长）内寻找端点位置，通过不断更新两端点位置的方式进行迭代，寻找与两条路径段均相切的圆弧，若找到，则添加该圆弧路径段；
若未找到，则再在距离交叉中心点设定范围内寻找端点位置，通过不断更新两端点位置的方式进行迭代，寻找与两条路径段均相切的样条曲线，并添加该样条路径段；
当连接在同一交叉中心点的两条路径段共线时，以交叉中心点为中点，添加一条直线路径段，该直线路径段的两个端点分别位于两条路径段上。
进一步的，当两个矩形可通行区域平行相交，但其对应的两条中间线路不共线时，先取两个矩形可通行区域落入对方区域的端点，接着垂直投影至对应中间线路上，然后直线连接两条中间线路上的投影点；
最后以投影点连线的中点为中心，不超过路径段半长为界限，寻找端点位置，通过不断更新两端点位置的方式进行迭代，寻找与两条路径段均相切的样条曲线，作为两条路径段之间的连接路径段，并删除连接两个投影点的直线路径。
进一步的，当货位点位于矩形可通行区域旁侧，则从货位点向该矩形可通行区域的中间路线作直线路径与其相交，方向与货位点的出发方向或到达方向一致；
以交点为中心，设定距离为界限，通过不断更新两端点位置的方式进行迭代，寻找直线路径与交点两侧路径段分别相切的圆弧或样条曲线，以平滑连接货位点与其邻近的路径段。
进一步的，当货位点位于矩形可通行区域端部时，则从该货位点向该矩形可通行区域的中间路线作与其平滑连接的样条曲线，作为货位点与其之间的路径段。
进一步的，ID标记所有路径段，包括原始路径段和平滑连接生成的路径段。
本发明提出一种全新的基于可通行区域的路径规划方法，根本性地从可通行区域本身出发，利用其中间路线形成若干相交的路径段，再与其进行平滑连接，最后，利用样条曲线平滑连接货位点与其邻近的路径段，便捷、快速地获取路径规划的最优解。
附图说明
图1为实施例1中的具体应用场景的矩形可通行区域仿真图；
图2为具体应用场景下矩形可通行区域的四个端点仿真图；
图3为具体应用场景下矩形可通行区域的中间路线仿真图；
图4为具体应用场景下包含两端点的中间路线仿真图；
图5为具体应用场景下中间路线转化为若干路径段的仿真图；
图6为路径段不同相交方式示意图；
图7为普通相交的路径段平滑连接示意图；
图8为丁字路口相交的路径段平滑连接示意图；
图9为十字路口相交的路径段平滑连接示意图；
图10为两种货位点分布情况示意图；
图11为货位点位于矩形可通行区域旁侧的平滑连接示意图；
图12为货位点位于矩形可通行区域端部的平滑连接示意图；
图13为实施例2中的特殊情况示意图；
图14为特殊情况下中间路线的连接方式示意图；
图15为特殊情况下两条原始路径段的平滑连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
本发明建立在已经完成可通行区域构建的基础上，图1为某应用场景下构成完成的矩形可通行区域示意图，如何构建矩形可通行区域，不是本申请论述的重点，申请人在其他发明中专门对如何生成矩形可通行区域进行了探讨。
图1所示的矩形可通行区域示意图中，每个矩形可通行区域都有四个端点，如图2所示。通过获取场景内所有矩形可通行区域的四个端点栅格坐标，可以计算出每个矩形可通行区域的中间路线，如图3、图4所示，选择矩形可通行区域的中间路线，因为中间路径是最远离障碍物、最安全的路线。
将所有中间路线以交点为界限，转化为若干路径段，如图5所示，将路径段的交点称之为交叉中心点，每个交叉中心点连接两条以上路径段，主要为图6中示出的三种情况，两条路径段相交于一点的普通相交，三条路径段相交于一点的丁字路口相交，四条路径段相较于一点的十字路口相交，利用圆弧或样条曲线平滑连接两条以一定角度（本实施例中为90°直角）相交的路径段。
下面结合不同的具体情况对平滑连接路径段进行展开阐述。
1、普通相交
选择连接路径自然涉及到选择起终点，本实施例中选点的设定范围为大于AGV最小转弯半径minRadius且小于路径段半长halfLineDist。这里最大选点范围设置为路径段的半长是为路径段另一侧的平滑连接保留足够空间，防止出现连接路径交叉的情况。
由于圆弧具有曲率不变的性质，因此优先选择圆弧路径进行平滑连接，根据第一个路径段可以选择起点的范围和第二个路径段可以选择终点的范围，不断迭代起终点，寻找能够与两条路径段相切的圆弧，若找到，则添加该圆弧路径段；
若未找到，则选择样条路径进行平滑连接，根据第一个路径段可以选择起点的范围和第二个路径段可以选择终点的范围，不断迭代起终点，寻找能够与两条路径段相切的样条曲线，并添加该样条路径段。
圆弧路径段或样条路径段为新增路径，新增路径的起终点称之为新段点newStartPoint，如图7所示。
2、丁字路口相交
处理此种情况，其实就是两次普通相交情况的处理，如图8所示，但是这里针对共线的两条路径段，即图8中的左线段和右线段的情况，以交叉中心点为中点，添加一条直线路径段，该直线路径段的两个端点分别位于两条路径段上。
3、十字路口相交
处理此种情况，其实就是四次普通相交情况的处理，如图9所示，添加完连接路径之后，对于共线的路线段，即图9中的左线段与右线段、上线段与下线段，同样需要以交叉中心点为中点，添加一条直线路径段，该直线路径段的两个端点分别位于两条路径段上。
虽然上述路径段相交情况均是垂直相交，但是其平滑连接方式可以适用于任何角度相交的情况，并且在AGV应用场景部署时，也会将路径规划以及AGV作业便捷性考虑在内，因此，也不会有过于复杂的道路环境，例如急转弯、线路纵横交叉等。因此，本发明考虑的情况足以应付AGV应用场景的路径规划需求。
在完成路径段的平滑连接之后，还需要利用样条曲线平滑连接货位点与其邻近的路径段。在常规的AGV应用场景下，存在图10所示的两种情况，分别为货位点位于矩形可通行区域旁侧，以及货位点位于矩形可通行区域端部。
当货位点位于矩形可通行区域旁侧，则从货位点向该矩形可通行区域的中间路线作直线路径与其相交，方向与货位点的出发方向或到达方向一致；以交点为中心，设定距离为界限，通过不断更新两端点位置的方式进行迭代，寻找直线路径与交点两侧路径段分别相切的圆弧或样条曲线，以平滑连接货位点与其邻近的路径段，参照图11所示。由于货位点的设置通常远离路径拐点处，此处的设定距离根据实际情况进行设定，本实施例不作限定。
当货位点位于矩形可通行区域端部时，则从该货位点向该矩形可通行区域的中间路线作与其平滑连接的样条曲线，作为货位点与其之间的路径段，如图12所示。
至此，完成整个基于可通行区域的AGV路径规划。在实际应用中，每条路径段包括原始路径段和平滑连接生成的路径段，均进行ID标记，便于上位机识别。
实施例2
图1所示的场景较为常规，在一些场景下，还可能出现两个矩形可通行区域平行相交，但其对应的两条中间线路不共线的情况，如图13所示。
本实施例针对此情况的处理方式是，先取两个矩形可通行区域落入对方区域的端点，接着垂直投影至对应中间线路上，然后直线连接两条中间线路上的投影点，如图14所示。
最后以投影点连线的中点为中心，不超过路径段半长为界限，寻找端点位置，通过不断更新两端点位置的方式进行迭代，寻找与两条路径段均相切的样条曲线，作为两条路径段之间的连接路径段，并删除连接两个投影点的直线路径，如图14所示。
显然，所描述的实施例仅仅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，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种基于可通行区域的路径规划方法，其特征在于，
首先，获取场景内所有矩形可通行区域的四个端点栅格坐标，计算每个矩形可通行区域的中间路线；
其次，将所有中间路线以交点为界限，转化为若干路径段，再利用圆弧或样条曲线平滑连接两条以一定角度相交的路径段；
最后，利用样条曲线平滑连接货位点与其邻近的路径段。
2.根据权利要求1所述的基于可通行区域的路径规划方法，其特征在于，将路径段的交点称之为交叉中心点，每个交叉中心点连接两条以上路径段；
当连接在同一交叉中心点的两条路径段之间存在一定夹角时，先在距离交叉中心点设定范围内寻找端点位置，通过不断更新两端点位置的方式进行迭代，寻找与两条路径段均相切的圆弧，若找到，则添加该圆弧路径段；
若未找到，则再在距离交叉中心点设定范围内寻找端点位置，通过不断更新两端点位置的方式进行迭代，寻找与两条路径段均相切的样条曲线，并添加该样条路径段；
当连接在同一交叉中心点的两条路径段共线时，以交叉中心点为中点，添加一条直线路径段，该直线路径段的两个端点分别位于两条路径段上。
3.根据权利要求2所述的基于可通行区域的路径规划方法，其特征在于，设定范围为大于AGV最小转弯半径且小于所在路径段的半长。
4.根据权利要求1所述的基于可通行区域的路径规划方法，其特征在于，当两个矩形可通行区域平行相交，但其对应的两条中间线路不共线时，先取两个矩形可通行区域落入对方区域的端点，接着垂直投影至对应中间线路上，然后直线连接两条中间线路上的投影点；
最后以投影点连线的中点为中心，不超过路径段半长为界限，寻找端点位置，通过不断更新两端点位置的方式进行迭代，寻找与两条路径段均相切的样条曲线，作为两条路径段之间的连接路径段，并删除连接两个投影点的直线路径。
5.根据权利要求1所述的基于可通行区域的路径规划方法，其特征在于，当货位点位于矩形可通行区域旁侧，则从货位点向该矩形可通行区域的中间路线作直线路径与其相交，方向与货位点的出发方向或到达方向一致；
以交点为中心，设定距离为界限，通过不断更新两端点位置的方式进行迭代，寻找直线路径与交点两侧路径段分别相切的圆弧或样条曲线，以平滑连接货位点与其邻近的路径段。
6.根据权利要求1所述的基于可通行区域的路径规划方法，其特征在于，当货位点位于矩形可通行区域端部时，则从该货位点向该矩形可通行区域的中间路线作与其平滑连接的样条曲线，作为货位点与其之间的路径段。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于可通行区域的路径规划方法，其特征在于，ID标记所有路径段，包括原始路径段和平滑连接生成的路径段。
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