一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法。环境内移动机器人移动过程中通过自身携带的测距传感器、角度传感器测得机器人到障碍物的距离矢量，对附近存在多障碍物的未知环境，始终以机器人当前位置为原点建立坐标系，通过测量机器人到障碍物边缘的距离矢量，得到避碰障碍物的转向角，得到大于机器人自身径向尺寸的两相邻障碍物间距离矢量，获取能同时避碰两相邻障碍物的机器人当前位置到两相邻障碍物间距离矢量中点构成的距离矢量，作为机器人的移动方向和通过两障碍物的移动路径，实现最大限度安全避障，及从起始点到目标点的自主避障移动。本控制模型考虑移动机器人和环境障碍物实际径向尺寸，具有实际应用意义。
【专利说明】一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，属于移动机器人 控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 机器人代替人类的劳动在各领域具有广阔的应用前景，机器人技术得到了广泛的 研宄和发展。移动机器人路径规划或导航根据机器人对工作环境场所的认知可分为已知环 境的路径规划和未知环境的路径规划。已知环境的路径规划是机器人已知道环境内是否存 在障碍物和障碍物的位置情况下，规划出一条从起始点到目标点路径，属于静态全局导航， 算法模型已比较成熟也相对简单。未知环境内机器人路径规划是机器人对环境内是否存在 障碍物及障碍物位置没有先验知识，机器人移动主要依靠环境传感器探测其探测区域内环 境信息，规划出局部路径。未知环境内机器人路径规划实现自主避障移动控制是机器人控 制的难点，自主避障移动控制的研宄多局限于理论建模研宄，如预测滚动窗口算法、使用距 离代价函数确定机器人的子目标点，在障碍物分布比较复杂的环境中，机器人始终朝着离 终点距离最小的障碍物边界方向行走，易发生死锁和振荡现象，其他有基于粒子群算法、模 糊逻辑、模糊聚类网、神经网络等算法，但此类算法存在路径死锁或解算时间长缺点。另外 对存在动态障碍物的未知环境还没有实时控制方法。现有未知环境内机器人路径规划模型 的研宄多是将移动机器人和环境中的障碍物视为点进行控制建模，没有考虑移动机器人和 环境障碍物的实际尺寸因而缺乏实际应用性。因此，有必要研宄考虑机器人和环境障碍物 实际尺寸的有效的路径规划控制模型，使机器人实现未知环境内从起始点到目标点的自主 避障移动控制或环境漫游。
【发明内容】
[0003] 本发明公开了一种基于距离矢量的移动机器人自主避障移动控制方法，由计算机 和移动机器人组成。始终以机器人当前位置为原点建立坐标系，通过测量机器人到障碍物 边缘的距离矢量，获得避碰障碍物的转向角，计算得到大于机器人自身径向尺寸且距离矢 量，获取机器人沿该矢量移动过程中同时避碰两相邻障碍物的机器人当前位置到两相邻障 碍物间距离矢量中点构成的距离矢量，作为机器人移动方向和通过两障碍物的移动路径， 同时避碰两相邻障碍物，实现最大限度安全避障，完成从起始点到目标点的自主避障移动。 本发明控制方法计算简单，有效实用，克服了现有控制算法模型复杂且不考虑机器人和障 碍物实际尺寸的缺点，本发明尤其适用于多障碍物、狭小环境空间或有动态障碍物的环境 内移动避障控制。
[0004] 本发明技术方案是这样实现的：
[0005] 一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，由计算机控制移动机器人实 现；计算机通过通信接口与移动机器人串接，实现近程或远程、有线或无线通信控制；移动 机器人包括机器人控制机构、机器人本体移动机构和机器人自身携带的测距传感器、角度 测量传感器；测距传感器用于测出机器人与障碍物之间的距离，角度测量传感器用于测出 机器人到障碍物的距离矢量的方向。
[0006] 控制方法：移动机器人控制系统首先控制测距传感器、旋转角度传感器，测量机 器人到附近最近两相邻障碍物的距离矢量，计算两相邻矢量之间的夹角和两相邻障碍物之 间的有效空间距离矢量，获得大于移动机器人自身尺寸的两相邻障碍物之间的有效空间距 离矢量，然后获取机器人沿该矢量移动过程中同时避碰两相邻障碍物的机器人当前位置到 两相邻障碍物之间的有效空间距离中点的矢量，作为机器人移动的方向和移动路径，最后 控制机器人本体移动机构沿得到路径矢量方向移动，到达通过两障碍物之间有效空间距离 的中点，再继续按同样的方式获得下一步移动方向和移动路径。
[0007] 具体控制方法如下：
[0008] A)移动机器人以移动机器人当前位置为原点建立坐标系，以当前位置到目标点形 成的矢量为移动的大方向，控制自身携带的测距传感器探测当前移动方向探测区域内的障 碍物信息；如前方探测区域内没有障碍物反馈信息，则认为障碍物无限远，按当前方向在安 全区域内移动；
[0009] B)有障碍物Ai的反馈信息，则顺时针或逆时针旋转测量移动机器人到障碍物边缘 的距离矢量式，根据无计算机器人避碰障碍物的A i的最小转向角度見，并按同一方向继续 旋转探测区域内下一个最近相邻障碍物信息；若探测区域内没有相邻障碍物，则机器人进 行转向移动，避碰障碍物A i的最小转向角度为是，按转动后的方向移动距离51后，按步骤 A)方式继续；
[0010] C)若探测区域内有相邻障碍物Aj(i辛j)，则同理测出该障碍物最近相邻障碍物 边缘的距离矢量&，计算机器人避碰相邻障碍物A j的最小转向角Θ』，计算两相邻障碍物 A、之间有效空间距离矢量尤7。
[0011] ①若两相邻障碍物化、Aj之间的有效空间距离Rij小于移动机器人自身最大径向 结构尺寸，则机器人移动的大方向为基准，旋转探测机器人到障碍物的边缘矢量和下一个 相邻障碍物信息；按步骤B)继续；
[0012] ②若两相邻障碍物ApAj之间的有效空间距离Rij大于移动机器人自身最大径向结 构尺寸，则计算机器人当前位置到两相邻障碍物A,、A j之间的有效空间距离中点矢量式，， 计算&,与(^的夹角ai;式7与士的夹角Cij，若Ci iS Θ 1且αΘ」，则机器人能同时 避碰障碍物的化、Aj，则所得到的距离矢量丈7既为机器人前移的移动路径矢量，机器人沿 该矢量方向移动该矢量的距离Sij后，到达两相邻障碍物之间的有效空间距离中点，顺利通 过两障碍物空间，然后按步骤A)，继续探测下一个探测区域内的环境障碍物信息；反之，如 式i与及i的夹角ai、式,与之的夹角aj有小于避碰障碍物对应最小转向角θ i、叫的，所 得到的距离矢量式7不能作为机器人前移的移动路径矢量；则机器人以移动的目标方向为 基准，旋转探测机器人到障碍物的边缘矢量和下一个相邻障碍物信息；按步骤B)继续；
[0013] 以此类推，以机器人当前位置到两相邻障碍物之间的有效空间距离中点的矢量作 为移动方向和移动路径，使移动机器人穿行在众多障碍物之间行走，实现从起始点到目标 点的自主安全避障移动或未知环境内自由自主避障安全移动。
[0014] 所述的机器人到附近最近两相邻障碍物的距离矢量分别为机器人到两障碍物边 界切线切点的距离矢量。
[0015] 步骤C)①中所述的两相邻障碍物化与A』之间的有效空间距离，是指障碍物A PAj 的边缘最近相邻距离，表示为Rij且：
【权利要求】
1. 一种基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，由计算机控制移动机器人实 现；计算机通过通信接口与移动机器人串接，实现近程或远程、有线或无线通信控制；移动 机器人包括机器人控制单元、机器人本体移动机构和机器人自身携带的测距传感器、角度 测量传感器；测距传感器用于测出机器人与障碍物之间的距离，角度测量传感器用于测出 机器人到障碍物距离矢量的方向。控制方法其特征在于：始终以机器人当前位置为原点建 立坐标系，通过测量机器人到障碍物边缘的距离矢量，获得避碰障碍物的转向角，计算得到 大于机器人自身径向尺寸且两相邻障碍物的距离矢量，并获取机器人沿该矢量移动过程中 同时避碰两相邻障碍物的机器人当前位置到两相邻障碍物间距离矢量中点构成的距离矢 量，作为机器人移动方向和通过两障碍物的移动路径，实现最大限度安全避障，完成从起始 点到目标点的自主避障移动；具体控制方法如下： A) 移动机器人以移动机器人当前位置为原点建立坐标系，以当前位置到指定目标点形 成的矢量为移动的大方向，控制自身携带的测距传感器探测当前移动方向探测区域内的障 碍物信息；如前方探测区域内没有障碍物反馈信息，则认为障碍物无限远，按当前方向在安 全区域内移动； B) 有障碍物Ai的反馈信息，则顺时针或逆时针旋转测量移动机器人到障碍物边缘的距 离矢量式.，根据瓦计算机器人避碰障碍物的Ai的最小转向角度堯，并按同一方向继续旋转 探测区域内下一个最近相邻障碍物信息；若探测区域内没有相邻障碍物，则机器人进行转 向移动，避碰障碍物Ai的最小转向角度为是，按转动后的方向移动距离51后，按步骤A)方 式继续； C) 若探测区域内有相邻障碍物AjQ辛j)，则同理测出该障碍物最近相邻障碍物边缘 的距离矢量尤，计算机器人避碰相邻障碍物Aj的最小转向角Θ』，计算两相邻障碍物ApAj 之间有效空间距离矢量足7 ; ① 若两相邻障碍物化、Aj之间的有效空间距离Ru小于移动机器人自身最大径向结构 尺寸，则以机器人移动的大方向为基准，旋转探测机器人到障碍物的边缘矢量和下一个相 邻障碍物信息；按步骤B)方式继续； ② 若两相邻障碍物化、Aj之间的有效空间距离Ru大于移动机器人自身最大径向结构 尺寸，则计算机器人当前位置到两相邻障碍物化、间的有效空间距离中点的矢量式， 计算之与文的夹角α"灵7与之的夹角α』，若α>Θ占α$Θ』，则机器人能同时 避碰障碍物化、Aj，则所得到的距离矢量^,既为机器人前移的移动路径矢量，机器人沿该 矢量方向移动该矢量的距离Sij后，到达两相邻障碍物之间的有效空间距离中点，顺利通过 两障碍物空间，然后按步骤A)方式继续探测下一个探测区域内的环境障碍物信息；反之， 如式.,.与匕的夹角a。&与3,.I的夹角CXj有小于避碰障碍物对应最小转向角ΘpQj的， 所得到的距离矢量式7不能作为机器人前移的移动路径矢量；则机器人以移动的目标方向 为基准，旋转探测机器人到障碍物的边缘矢量和下一个相邻障碍物信息；按步骤B)方式继 续； 以此类推，以机器人当前位置到两相邻障碍物之间的有效空间距离中点的矢量作为移 动方向和移动路径，使移动机器人穿行在众多障碍物之间行走，实现从起始点到目标点的 自主安全避障移动或未知环境内自由自主避障安全移动。
2. 根据权利要求1所述的基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，其特征在 于：所述的机器人到附近最近两相邻障碍物的距离矢量分别为机器人到两障碍物边界切线 切点的距离矢量。
3.根据权利要求1所述的基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，其特征在 于：步骤C)①中所述的两相邻障碍物Ai与?之间的有效空间距离，是指障碍物A勺边 缘最近相邻距离，表示为Ri,且：
式（1)中SpSj分别为机器人到两相邻障碍物的距离，Θu为距离矢量見、&之间的 夹角。
4.根据权利要求1所述的基于距离矢量的机器人自主避障移动控制方法，其特征在 于：，当机器人移动方向区域内存在相邻障碍物ApAj，机器人沿距离矢量式7的方向行进至 相邻障碍物间有效空间距离矢量見，中点时，为使移动机器人能同时避碰两障碍物化、Aj, 距离矢量見.,.与見和尤.之间夹角的为％和％应同时大于对应两障碍物Ai^各自对应的 最小转向角Θi，Θj，最小转向角Θi、Θj与机器人到两相邻障碍物的距离矢量毛和毛.的关 系表不为：
式（2)中Γ(ι为未知环境内移动机器人最大径向结构半径。 当探测区域内只有一个障碍物，或没有下一个相邻障碍物时，机器人将转向移动，避碰 该障碍物的最小转动角度为相应的最小转向角。
【文档编号】G05D1/02GK104460666SQ201410582435
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】于莲芝, 滕辉, 陈亚林, 王星磊, 王煜民, 孙金 申请人:上海理工大学