[发明专利]一种基于激光雷达的室内移动机器人自主探索方法

权利要求书

1.一种基于激光雷达的室内移动机器人自主探索方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过激光雷达数据提取探索目标点；提取方法由前沿断点法和可通行区域法构成；

步骤2：建立拓扑节点；依据步骤1中的探索目标点提取结果，生成一个拓扑地图节点并将该节点加入拓扑地图中；

步骤3：冗余拓扑节点处理；检测已有拓扑地图下的所有拓扑节点，剔除冗余的拓扑节点；

步骤4:拓扑地图闭环处理；检测当前拓扑节点与其余所有拓扑节点是否存在闭环；如果存在，则在拓扑地图上添加对应的边完成闭环；

步骤5：当环境中不存在未探索的节点，则结束自主探索。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的室内移动机器人自主探索方法，其特征在于：

1)前沿断点法；

利用前沿断点法将激光前沿分成A、B两类：A类前沿在传感器最大量程处，且弧长大于移动机器人的宽度；B类前沿在由障碍物遮挡而产生的断点处，该断点处相邻两激光数据的距离信息差值的绝对值大于一个安全阈值；前沿断点法在A、B两类前沿处均生成候选探索目标点；

生成A类候选探索目标点的几何规则如下：

a、将前沿弧的中点与激光雷达的中心相连；

b、取连线上小于传感器最大量程的点作为初始的候选探索目标点；

生成B类初始候选目标点的几何规则如下：

a、将B类前沿的两端分别标记为N、L；

b、在NL线段上取一点M，使MN＝B_d，B_d为MN的长度；

c、以激光测距仪的中心位置为圆心画一段经过点M的圆弧arc；

d、过N点作一条垂直于NL的直线，并在垂线上取一点Q，使线段NQ＝safe_dis，且点Q在自由区域内；

e、作一条由激光雷达的中心指向点Q的射线，射线与圆弧arc的交点即为候选探索目标点；

2)可通行区域法

可通行区域法提取探索目标点的方法如下：

a、依据当前的激光数据提取可通行区域；

b、以该可通行区域的中心线方向的最远端为第一个候选目标点位置，沿第一个候选目标点与车身的连线，间隔距离d生成另外一个候选目标点直至机器人当前位置；

c、计算可通行区域的中心线上所有候选探索目标点的信息增益；

3)整体探索目标点提取策略；

首先使用前沿断点法提取探索目标点，如果提取失败，则采用可通行区域法继续提取；

4)拓扑节点的定义；

如机器人在某个位置成功提取出了探索目标点，当前的机器人位置将被确定为一个拓扑节点；在一个拓扑节点中，需包含机器人位姿pose、节点序号index，当前节点的候选目标点集合T；

5)拓扑地图冗余节点剔除策略；

拓扑地图的拓扑节点包含了机器人在探索过程中的环境信息，一个有价值的拓扑节点应有效地指导机器人导航，高度提炼地图信息；本方法对于冗余节点的剔除策略主要分为两个规则：

规则一：将拓扑地图原点设定为起始节点a，检测与起始节点a直接相连的所有节点B，B＝{b₁,b₂,b₃……}，对于B中的每一个元素{b_i}，计算与每一个元素{b_i}直接相连的除起始节点a外的所有节点记为C_bi＝{c₁,c₂,c₃……}；在栅格地图上，检测C_bi中的每个元素{c_i}与起始节点a的连通性，检测方法为ray-traversal；若{c_i}与起始节点a不可直线连通，则{b_i}节点将被保存；当B中所有元素检测完毕之后，将起始节点设置为下一个节点，继续迭代；

规则二：如果某节点下存在未到达的探索目标点，则保存该节点；

对于以上两条规则均不满足的节点，定义为冗余节点，将该节点从拓扑地图中删除；

6)拓扑地图闭环检测策略；

对于存在闭环的场景，需要对于拓扑地图进行闭环检测，以便建立更加合理的拓扑地图，为后续导航工作获取最佳导航路径；拓扑地图的闭环检测根据以下三条规则确定：

规则一：节点A与节点B的id序号之差大于一个安全阈值；

规则二：节点A与节点B能够直线到达，距离记为D(A,B)；

规则三：节点A与节点B根据已有的拓扑地图计算出的一条可达且最短的拓扑路径，长度为T(A,B)，且满足D(A,B)<k*T(A,B)，k为比例系数；

以上三条规则满足之后，即可在节点A与节点B之间添加一条边，拓扑地图完成一次闭环；

7)整体流程；

本方法引入两种探索策略，分别为探索模式和回溯模式，这两种模式在移动机器人自主探索的过程中自动切换；当前节点存在探索目标点时，机器人工作在探索模式以探索未知环境；选择评价最优的探索目标点作为当前目标点；在探索的过程中，每行进一定步长或者到达目标点处，采集新的激光数据，然后开始下一次探索；

若当前节点没有探索目标点且已到达上一时刻选出的目标点，那么系统将切换到回溯模式以遍历未知环境；若全局拓扑地图中存在未探索的目标点，则将距离机器人最近且含有未探索目标点的节点设为目标节点，否则将初始节点设置为目标节点；回溯路径利用Dijkstra's算法在当前已有拓扑地图上获得，为一条在当前已有拓扑地图上的到达目标节点的最短路径。