CN117369444A - 一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人避障技术领域，提出了一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，包括三级处理流程，若机器人与障碍距离达到一级测距阈值R1(L2,L3]，则机器人减速；若机器人与障碍距离达到二级测距阈值R2(L1,L2]，则机器人停车等待后进行绕障动作；若机器人与障碍距离达到三级测距阈值R3(0,L1]，则机器人尝试倒车并恢复第二级处理的绕障动作。本发明无需静态栅格地图和路径重规划，即可完成任意形状、大小的障碍物绕障动作，机器人被障碍大部分包围时，可通过持续的障碍检测，最终找到可行通路并完成机器人脱困，机器人探索式绕障同时考虑边界因素，避免边界障碍物导致机器人被持续增长的障碍边界引导至区域外，引发机器人安全问题。

Description

一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法

技术领域

本发明涉及机器人避障技术领域，具体是涉及一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法。

背景技术

随着智能移动机器人技术的发展，机器人的应用场景逐步扩展，如扫地机器人、巡检机器人等。机器人在工作过程中会遇到各种障碍物等，如果不能很好地绕过这些障碍物，将会严重影响机器人的使用体验。

现有机器人为了运行安全一般都是设定在区域内自主运动。目前主流方案都是使用同时建图定位技术来构建环境并生成栅格地图，之后在栅格地图上进行机器人定位、规划即控制来完成机器人自主运行及避障。但是这种方案雷达设备成本较高、实施难度较大、栅格地图重规划绕障路径对设备算力要求较高等。目前已有技术，均存在不同的限制因素，不能很好的完成机器人绕障控制。有些使用固定的绕障步骤，如旋转45°直行，之后反方向旋转90°，此种方式不能很好地适应不同大小的障碍物，导致较大或较小的障碍绕障失败；有些避障时未考虑虚拟边界的限制，同时因为绕障采用固定指令方式，很容易在边界附件绕障时，机器人出界，导致不同的安全问题；还有一些则使用激光雷达等高密度测距传感器，在绕障时虽然可以获得障碍形状、大小等信息，可更好的进行绕障动作，但激光雷达传感器成本高昂、且在室外场景下经过长时间的日晒雨淋，寿命会大打折扣。

现有技术中也有低成本的避障方案，针对现有低成本避障方案，公开号为“CN111026114A”名称为“一种绕障方法及自行走设备”的专利申请采用固定指令方式来进行障碍物绕行，可实现预设大小的障碍物的绕障动作，但该发明对不同大小的障碍物适应性较差，同时未考虑机器人在边界条件下绕障动作，可能会导致机器人在绕障时脱离安全区域，影响机器人正常运行。公开号为“CN 113110515A”名称为“一种移动机器人避障方法、装置、设备及存储介质”的专利申请采用了两个超声波交叉测距方式，来检测车体左右侧障碍物，并将判断结构输入避障动作状态表来实现障碍绕障动作，但该方案内绕障动作表内车辆控制指令均为固定指令，如旋转45°、直行、反向旋转90°等，不能很好地适应任意形状、任意大小的障碍，也不能更好地处理机器人脱困等策略，并且，该方案中边界为实体边界，可通过障碍检测到边界信息，不适用于虚拟边界中绕障需求。

发明内容

针对上述问题，本发明为了解决以上机器人避障面临的问题，提供一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，使得机器人可以在安全区域内实现障碍检测及绕障行为。

为了实现上述目的，本发明提供一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，包括以下步骤：

S1、通过有线或无线方式获得传感器测量距离值；

S2、计算所获传感器距离值是否处于预设区间R3(0,L1]，若距离值处于该区间内，则控制机器人进行步骤S5倒车避障流程处理；若不属于R3(0,L1]区间，则进入步骤S3处理流程；

S3、计算所获传感器距离值是否处于区间R2(L1,L2]，若处于区间内，则控制机器人进行S6等停及绕障处理；若不属于R2(L1,L2]区间，则进行步骤S4处理流程；

S4、计算所获传感器距离数据是否处于区间R1(L2,L3]，若处于区间内，则机器人进行S7减速流程处理；否则结束；

S5、倒车避障处理；

S6、等停及绕障处理；

S7、减速处理。

优选的，所述步骤S5倒车避障处理流程具体包括以下步骤：

S9、记录倒车开始时机器人位置A；

S10、获取机器人当前位置B；

S11、计算A-B之间的距离并判断是否大于预设倒车阈值Lth，若否，则进行步骤S12，否则进行步骤S16；

S12、处理机器人与边界判定，若机器人出界则进行步骤S16；若未出界则继续进行步骤S13；

S13、发送倒车指令；

S14、继续检测障碍与机器人距离，

S15、若距离大于倒车阈值则进行步骤S16，否则回到S10重新执行倒车流程；

S16、结束倒车处理流程。

优选的，所述步骤S7减速处理流程为：机器人检查到R1(L2,L3]区间障碍物时，发送减速指令，持续检测障碍与机器人距离，当障碍物持续存在且距离小于减速阈值时，则进入步骤S6。

优选的，所述步骤S6等停及绕障处理流程具体包括以下步骤：

S20、停车等待，若等待时间内障碍消失，则自动退出等停及绕障处理，若等待预设时间阈值Tth内障碍依然存在，则进入步骤S21；

S21、首先根据传感器距离值判断机器人旋转方向，绕障方向确定后，则控制机器人按照绕障方向旋转直至障碍消失；

S22、机器人旋转至障碍消失后，记录此时机器人位置C。之后则控制机器人直行，实时获取机器人位置D，若C-D位置差不小于预设距离阈值Lfd后，本步骤结束，若机器人直行过程中又重新触发了障碍，则回到步骤S21重新判断障碍绕行方向；

S23、计算当前路径的参考点，机器人朝参考点旋转，获取机器人当前位置及朝向，若机器人旋转至参考点(即机器人的方向与参考点方向差不大于角度阈值Ath)依然未触发障碍，则代表此时机器人已经越过障碍，若在旋转过程中又检测到了障碍，则说明机器人还处于障碍区域，则重新回到S21步骤继续进行绕障处理；

S24、当机器人旋转至参考点方向后，仍未触发障碍状态，则代表机器人已经完成障碍绕行，之后则控制机器人朝着参考点运动，直至与参考点位置差不大于阈值Lth2，则整个绕障流程完成。

优选的，所述步骤S21中的判断机器人旋转方向具体流程为：首先根据左(Dl)右(Dr)测距值判断：

若距离值处于区间(0,L2]内，则记为“触发”，否则记为“未触发”；

若DI触发，Dr未触发，则说明机器人左前侧有障碍物，则绕障方向为向右；

若Dl未触发，Dr触发，则绕障方向为向左；

若Dl、Dr同时触发，则根据距离大小值判断绕障方向；

当触发障碍位置在边界附近时，增加机器人左右与边界位置因素，即若机器人右侧为边界，则绕障方向为向左；若机器人左侧为边界，则绕障方向为向右；

若机器人前方为边界，则考虑机器人下一次转向方向，绕障方向与下一次转向方向一致；若机器人后方出现障碍物，此时若机器人是前进方向，则忽略后方障碍物触发情况，若此时机器人为倒车方向，绕障方向则与上述根据距离判断绕障方向原则相反。

优先的，所述步骤S22和S23机器人在运行过程中，同步检测机器人是否有出界风险。

优选的，所述出界风险的判断方法具体为：将机器人底盘视作一个圆形或多边形R，判断R与ROI区域的二维平面关系，若关系为相离，机器人出界，机器人则立即停车；若关系为相交，判断相交面积，若面积小于面积阈值Sth则代表机器人有出界风险，此时控制机器人旋转，并找出可行方向后，机器人完成脱困；若相交面积为机器人底盘面积，则代表机器人在区域内，按照正常处理流程控制机器人即可。

优选的，所述传感器可以为而不限于超声波测距传感器、激光测距传感器、红外测距传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.无需静态栅格地图和路径重规划，即可完成任意形状、大小的障碍物绕障动作。

2.无需检测障碍大小，动态扩展绕障区域，可自主探索障碍边界，逐步扩张式检测并绕障，绕障区域基本与障碍形状一致，避免规划等方式产生的额外的绕障区域，减少机器人因绕障而导致的遗漏区域。

3.绕障结束，自主选择与机器人最近全局路径参考点，并继续完成无障碍路径自主运动，绕障完成后回到预设路径上继续运行。

4.机器人被障碍大部分包围时，可通过持续的障碍检测，最终找到可行通路并完成机器人脱困。

5.ROI机器人安全区域限制，机器人探索式绕障同时考虑边界因素，避免边界障碍物导致机器人被持续增长的障碍边界引导至区域外，引发机器人安全问题。

附图说明

图1为本发明的距离区间判断示意图；

图2为本发明的一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法流程图；

图3为本发明的倒车处理流程图；

图4为本发明绕障处理流程图；

图5为本发明绕障流程示意图；

图6为本发明边界处理示意图。

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作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。

本发明主要应用于智能割草机器人场景，特别针对智能虚拟边线割草机器人。在这种户外场景下，机器人可能会遇到大树、石头、宠物、篱笆等各种障碍物，因此需要一种低成本场景下，尽可能获得障碍轮廓来避让障碍的技术。

特别的，针对预设的虚拟边界，虚拟边界不像传统的扫地机器人边界一样有实体的墙壁等限制机器人的运动区域，虚拟边界无法通过超声波、激光雷达等检测并标记出来，无法通过传感器检测来限制机器人运动区域。由于室外环境的复杂多变性，虚拟边界外可能是马路或泳池等，机器人运行过程中出界会导致严重的安全问题。因此在虚拟边界内绕障的机器人在绕障过程中需要综合考虑虚拟边界因素，使机器人在绕障和工作过程中严格控制机器人不能出界，避免机器人和环境安全问题产生

针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提出一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，可以更好地解决现有方法的局限性。

本发明提出的一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、通过有线或无线方式获得传感器测量距离值；

S2、计算所获传感器距离值是否处于预设区间R3(0,L1]，若距离值处于该区间内，则控制机器人进行步骤S5倒车避障流程处理；若不属于R3(0,L1]区间，则进入步骤S3处理流程；

S3、计算所获传感器距离值是否处于区间R2(L1,L2]，若处于区间内，则控制机器人进行S6等停及绕障处理；若不属于R2(L1,L2]区间，则进行步骤S4处理流程；

S4、计算所获传感器距离数据是否处于区间R1(L2,L3]，若处于区间内，则机器人进行S7减速流程处理；否则结束；

S5、倒车避障处理；

S6、等停及绕障处理；

S7、减速处理。

本发明距离的检测方式不限于超声波、激光测距、红外测距等测距类设备，同时包括防撞条等机械式碰撞触发方式，所述传感器中的任一或组合用于检测障碍物与机器人之间的距离，所述测距结果输入给机器人控制单元。

根据预设阈值，可自由改变三级阈值(R1(L2,L3]、R2(L1,L2]、R3(0,L1])大小，灵活改变障碍检测区间。

更进一步的，所述三级遇障处理流程可依次或单独进行，可处理逐渐靠近的障碍物或突然出现的障碍物。

具体的，主要是由于障碍物与机器人相距较近，此时旋转或前进会导致机器人与障碍发生碰撞，如图3所示，步骤S5倒车避障处理流程具体包括以下步骤：

S9、记录倒车开始时机器人位置A；

S10、获取机器人当前位置B；

S11、计算A-B之间的距离并判断是否大于预设倒车阈值Lth，若否，则进行步骤S12，否则进行步骤S16；

S12、处理机器人与边界判定，若机器人出界则进行步骤S16；若未出界则继续进行步骤S13；

S13、发送倒车指令；

S14、继续检测障碍与机器人距离，

S15、若距离大于倒车阈值则进行步骤S16，否则回到S10重新执行倒车流程；

S16、结束倒车处理流程。

具体的，步骤S7减速处理流程为：机器人检查到R1(L2,L3]区间障碍物时，通过减速来使机器人有足够时间来处理和确认障碍数据，同时也可以防止由传感器噪声导致的误判情况发生，当障碍物持续存在且距离小于减速阈值时，则进入S6步骤处理障碍绕行策略。

具体的，如图4所示，步骤S6等停及绕障处理流程具体包括以下步骤：

S20、停车等待，若等待时间内障碍消失，则自动退出等停及绕障处理，若等待预设时间阈值Tth内障碍依然存在，则进入步骤S21；

S21、首先根据传感器距离值判断机器人旋转方向，为更明确表达障碍旋转方向判定，以下按机器人左前、右前分别安装距离传感器来说明。需要明确的是，此处仅为表述清楚设计一个实例，并不对本发明产生任何场景限制。

旋转方向判断主要由以下组成。首先根据左(Dl)右(Dr)测距值判断：

若距离值处于区间(0,L2]内，则记为“触发”，否则记为“未触发”。

若DI触发，Dr未触发，则说明机器人左前侧有障碍物，则绕障方向为向右；

若Dl未触发，Dr触发，则绕障方向为向左；

若Dl、Dr同时触发，则根据距离大小值判断绕障方向。

特别的，当触发障碍位置在边界附近时，增加机器人左右与边界位置因素，即若机器人右侧为边界，则绕障方向为向左；若机器人左侧为边界，则绕障方向为向右；

特别的，若机器人前方为边界，则考虑机器人下一次转向方向，绕障方向与下一次转向方向一致；若机器人后方出现障碍物，此时若机器人是前进方向，则忽略后方障碍物触发情况，若此时机器人为倒车方向，绕障方向则与上述根据距离判断绕障方向原则相反。

绕障方向确定后，则控制机器人按照绕障方向旋转直至障碍消失；

特别的，机器人旋转时间或角度不做限制，实际旋转角度与障碍物形状相关。此种方式能够有效避免固定角度导致的绕障距离过小或过大问题。

特别的，机器人旋转过程中会持续进行障碍检测，直至旋转至障碍无触发时，机器人停止。较固定旋转角度，可更好的根据障碍形状、大小自适应动态调整机器人的绕障方向。

S22、机器人旋转至障碍消失后，记录此时机器人位置C。之后则控制机器人直行，实时获取机器人位置D，若C-D位置差不小于预设距离阈值Lfd后，本步骤结束，若机器人直行过程中又重新触发了障碍，则回到步骤S21重新判断障碍绕行方向；

S23、当机器人向无障碍方向前进一段距离后，机器人需要检测障碍是否依然存在，具体为，计算当前路径的参考点，机器人朝参考点旋转，获取机器人当前位置及朝向，若机器人旋转至参考点(即机器人的方向与参考点方向差不大于角度阈值Ath)依然未触发障碍，则代表此时机器人已经越过障碍，若在旋转过程中又检测到了障碍，则说明机器人还处于障碍区域，则重新回到S21步骤继续进行绕障处理；

S24、当机器人旋转至参考点方向后，仍未触发障碍状态，则代表机器人已经完成障碍绕行，之后则控制机器人朝着参考点运动，直至与参考点位置差不大于阈值Lth2，则整个绕障流程完成。

特别的，S22与S23机器人在运行过程中，同步检测机器人是否有出界风险，检测方法为将机器人底盘视作一个圆形或多边形R，判断R与ROI区域的二维平面关系，若关系为相离，机器人出界，机器人则立即停车；若关系为相交，判断相交面积，若面积小于面积阈值Sth则代表机器人有出界风险，此时控制机器人旋转，并找出可行方向后，机器人完成脱困；若相交面积为机器人底盘面积，则代表机器人在区域内，按照正常处理流程控制机器人即可。

本发明通过测距传感器和控制单元来实现自主机器人避障动作。控制单元包括电机、电机驱动器、逻辑控制，测距传感器与控制单元通过主控单元连接。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过有线或无线方式获得传感器测量距离值；

S2、计算所获传感器距离值是否处于预设区间R3(0,L1]，若距离值处于该区间内，则控制机器人进行步骤S5倒车避障流程处理；若不属于R3(0,L1]区间，则进入步骤S3处理流程；

S3、计算所获传感器距离值是否处于区间R2(L1,L2]，若处于区间内，则控制机器人进行S6等停及绕障处理；若不属于R2(L1,L2]区间，则进行步骤S4处理流程；

S4、计算所获传感器距离数据是否处于区间R1(L2,L3]，若处于区间内，则机器人进行S7减速流程处理；否则结束；

S5、倒车避障处理；

S6、等停及绕障处理；

S7、减速处理。

2.根据权利要求1所述的一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，其特征在于，所述步骤S5倒车避障处理流程具体包括以下步骤：

S9、记录倒车开始时机器人位置A；

S10、获取机器人当前位置B；

S11、计算A-B之间的距离并判断是否大于预设倒车阈值Lth，若否，则进行步骤S12，否则进行步骤S16；

S12、处理机器人与边界判定，若机器人出界则进行步骤S16；若未出界则继续进行步骤S13；

S13、发送倒车指令；

S14、继续检测障碍与机器人距离；

S15、若距离大于倒车阈值则进行步骤S16，否则回到S10重新执行倒车流程；

S16、结束倒车处理流程。

3.根据权利要求1所述的一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，其特征在于，所述步骤S7减速处理流程为：机器人检查到R1(L2,L3]区间障碍物时，发送减速指令，持续检测障碍与机器人距离，当障碍物持续存在且距离小于减速阈值时，则进入步骤S6。

4.根据权利要求1所述的一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，其特征在于，所述步骤S6等停及绕障处理流程具体包括以下步骤：

S20、停车等待，若等待时间内障碍消失，则自动退出等停及绕障处理，若等待预设时间阈值Tth内障碍依然存在，则进入步骤S21；

S21、首先根据传感器距离值判断机器人旋转方向，绕障方向确定后，则控制机器人按照绕障方向旋转直至障碍消失；

S22、机器人旋转至障碍消失后，记录此时机器人位置C。之后则控制机器人直行，实时获取机器人位置D，若C-D位置差不小于预设距离阈值Lfd后，本步骤结束，若机器人直行过程中又重新触发了障碍，则回到步骤S21重新判断障碍绕行方向；

S23、计算当前路径的参考点，机器人朝参考点旋转，获取机器人当前位置及朝向，若机器人旋转至参考点(即机器人的方向与参考点方向差不大于角度阈值Ath)依然未触发障碍，则代表此时机器人已经越过障碍，若在旋转过程中又检测到了障碍，则说明机器人还处于障碍区域，则重新回到S21步骤继续进行绕障处理；

S24、当机器人旋转至参考点方向后，仍未触发障碍状态，则代表机器人已经完成障碍绕行，之后则控制机器人朝着参考点运动，直至与参考点位置差不大于阈值Lth2，则整个绕障流程完成。

5.根据权利要求4所述的一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，其特征在于，所述步骤S21中的判断机器人旋转方向具体流程为：首先根据左(Dl)右(Dr)测距值判断：

若距离值处于区间(0,L2]内，则记为“触发”，否则记为“未触发”；

若DI触发，Dr未触发，则说明机器人左前侧有障碍物，则绕障方向为向右；

若Dl未触发，Dr触发，则绕障方向为向左；

若Dl、Dr同时触发，则根据距离大小值判断绕障方向；

当触发障碍位置在边界附近时，增加机器人左右与边界位置因素，即若机器人右侧为边界，则绕障方向为向左；若机器人左侧为边界，则绕障方向为向右；

若机器人前方为边界，则考虑机器人下一次转向方向，绕障方向与下一次转向方向一致；若机器人后方出现障碍物，此时若机器人是前进方向，则忽略后方障碍物触发情况，若此时机器人为倒车方向，绕障方向则与上述根据距离判断绕障方向原则相反。

6.根据权利要求4所述的一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，其特征在于，所述步骤S22和S23机器人在运行过程中，同步检测机器人是否有出界风险。

7.根据权利要求6所述的一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，其特征在于，所述出界风险的判断方法具体为：将机器人底盘视作一个圆形或多边形R，判断R与ROI区域的二维平面关系，若关系为相离，机器人出界，机器人则立即停车；若关系为相交，判断相交面积，若面积小于面积阈值Sth则代表机器人有出界风险，此时控制机器人旋转，并找出可行方向后，机器人完成脱困；若相交面积为机器人底盘面积，则代表机器人在区域内，按照正常处理流程控制机器人即可。

8.根据权利要求1所述的一种探索式机器人虚拟边界内绕障控制方法，其特征在于，所述传感器可以为而不限于超声波测距传感器、激光测距传感器、红外测距传感器。