[发明专利]一种基于动态窗口与虚拟目标点的避障方法

说明书

基于动态窗口与虚拟目标点的避障方法，利用虚拟目标点以引导机器人前进，结合动态窗口下达机器人的运动指令，使机器人避开障碍物到达目标点。首先，机器人根据其传感器上反馈的有关障碍物的角度与距离信息预测障碍物的运动轨迹；然后根据对障碍物的轨迹预测，结合机器人的运动状态与真实目标点的位置，生成多个虚拟目标点，并通过评价函数综合考虑机器人的朝向和虚拟目标点与真实目标点的距离，筛选出最优的虚拟目标；最后机器人根据对障碍物的轨迹预测与虚拟目标点的位置，通过动态窗口法生成机器人下一时刻的控制指令集，并通过评价函数综合考虑机器人的朝向、运行速度与其和目标点的距离，筛选出机器人下一时刻最优的控制指令。

技术领域

本发明涉及动态未知环境中机器人的避障方法，针对机器人运动过程中检测到的障碍物，本发明设计的避障算法通过预测障碍物的运动轨迹，生成虚拟目标点以引导机器人前进，结合动态窗口下达机器人的运动指令，使机器人避开障碍物到达目标点。

背景技术

随着机器人技术的发展，越来越多的移动机器人应用于生产生活中，例如医疗服务机器人，家庭服务机器人等。移动机器人完成运送物品的任务，需要具备感知环境，路径规划，运动控制等功能。除此之外，移动机器人还需要应对运动过程中出现的障碍物，感知并且避开它们，保证机器人能够安全运行。

避障算法主要分为静态避障算法和动态避障算法。静态避障算法针对已知的环境信息，规划出无碰撞的路径。动态避障算法针对未知的环境，控制移动机器人向目标点运动同时避开动态障碍物。张海燕提出一种移动机器人路径规划和避障方法及系统，利用已知障碍物环境信息建立二维栅格地图，并在所述二维栅格地图中，采用跳点搜索算法确定所述起点到所述终点之间的最短路径(张海燕.移动机器人路径规划和避障方法及系统[P].广东： CN105955280A，2016-09-21.)。但是，全局路径规划算法难以适应环境的变化，可能出现碰撞的问题。费浚纯提出使用人工势场法，为未知室内环境中智能移动机器人的实时避障提供了一种适应性强、实时性好、路径较为平滑的解决方案(费浚纯.一种基于人工势场法的机器人避碰路径规划方法[P].黑龙江：CN104317291A，2015-01-28.)。但是使用人工势场法容易使机器人在障碍物密集的区域内产生局部震荡。Farah Kamil等提出一种避障算法，使机器人能在障碍物的位置、形状与运动状态未知的环境中安全工作(F.Kamil,T.S.Hong,W.Khaksar, M.Y.Moghrabiah,N.Zulkifli,S.A.Ahmad.New Robot NavigationAlgorithm for Arbitrary Unknown Dynamic Environments based on FuturePrediction and Priority Behavior.Expert Systems with Applications％@0957-4174.(2017).)，然而该方法只在仿真环境中进行了测试且没有考虑机器人的运动学特性。

发明内容

本发明克服现有方法上的缺点，提出一种基于动态窗口与虚拟目标点的避障方法。

本发明通过对障碍物运动轨迹的预测，利用虚拟目标点以引导机器人前进，结合动态窗口下达机器人的运动指令，使机器人避开障碍物到达目标点。首先，机器人根据其传感器上反馈的有关障碍物的角度与距离信息预测障碍物的运动轨迹；然后根据对障碍物的轨迹预测，结合机器人的运动状态与真实目标点的位置，生成多个虚拟目标点，并通过评价函数综合考虑机器人的朝向和虚拟目标点与真实目标点的距离，筛选出最优的虚拟目标；最后机器人根据对障碍物的轨迹预测与虚拟目标点的位置，通过动态窗口法生成机器人下一时刻的控制指令集，并通过评价函数综合考虑机器人的朝向、运行速度与其和目标点的距离，筛选出机器人下一时刻最优的控制指令。本发明采用的避障策略无需环境的先验信息，充分考虑了机器人的运动学特性，能够应对未知环境中的动态避障问题。

一种基于动态窗口与虚拟目标点的避障方法，具体步骤如下：

步骤1：预测障碍物运动