[发明专利]面向变速曲率受限机器人的无碰撞覆盖路径规划方法

说明书

本发明公开了一种面向变速曲率受限机器人的无碰撞覆盖路径规划方法，目的是解决现有覆盖路径规划方法因为固定转弯半径和速度引入的安全和效率问题，技术方案是先构建由客户端、服务端和机器人终端构成的面向变速曲率约束机器人的覆盖路径规划系统；客户端采集目标环境信息，服务端对目标区域进行单元分解，得到覆盖单元端点集合P。然后服务端构建出一个表征碰撞风险的势能场，计算出P中端点到端点的耗时最小的变速无碰撞路径。最后，构建数学模型，得到访问集合P所有端点的代价序列最小Tour，进而得到最终的无碰撞路径。本发明通过构建风险势能场和构建变速路径的方式对覆盖路径进行优化，在保证路径安全性的同时，有效提高覆盖效率。

技术领域

本发明属于移动机器人技术领域，具体涉及已知环境下变速曲率受限机器人的覆盖路径规划方法。本发明可应用到环境监控、自动化农业和室内清洁等场景下的机器人离线覆盖路径规划当中。

背景技术

作为自动化机器人完成环境监控、地图重建、搜索营救等应用的基础，覆盖路径规划(Coverage Path Planning,CPP)旨在设计一条访问目标区域所有点的路径，该路径在避免障碍物的同时最小化覆盖时间。在真实的覆盖场景中，CPP通常涉及包含复杂障碍物的环境和曲率受限的机器人。因此，有必要设计一个面向曲率受限机器人的无碰撞覆盖路径规划方法。

机器人最典型的动力学约束是对运动曲率和转弯速度的限制。针对无障碍物环境下，具有固定运动曲率及速度的机器人的路径规划问题，Dubins基于几何方法规划出两点间的最短路径，该路径称为Dubins路径。Dubins路径具有可解析表达及快速计算等优点，目前研究人员提出了一系列基于Dubins路径的Dubins覆盖方法。Dubins覆盖方法是一类典型、面向曲率约束的机器人区域覆盖方法，广泛应用于农业自动化、巡逻搜救以及海底检测。例如文献Yu,Xin,Thaddeus A.Roppel,and John Y.Hung.An optimization approachfor planning robotic field coverage.IECON 2015-41st Annual Conference of theIEEE Industrial Electronics Society.IEEE,2015，译为：Yu,Xin,Thaddeus A.Roppel,and John Y.Hung.一个机器人区域覆盖优化方法，IEEE工业电子学会年会)提出的MinNWT算法，该算法将将覆盖任务抽象成一个连通图，通过求解访问图中顶点的代价最小的序列来获得最后的覆盖路径。又比如文献(Lewis,Jeremy S.,et al.Semi-boustrophedoncoverage with a dubins vehicle.2017 IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and Systems(IROS).IEEE,2017，译为：Lewis,Jeremy S.,等Semi-boustrophedon coverage with a dubins vehicle.2017IEEE国际智能与机器人系统会议)提出的semi-BCD算法，该算法在MinNWT算法的基础上，利用一个图剪枝策略来删除简化连通图，从而减少计算时间。

尽管Dubins覆盖方法具有诸多优势，但是它们存在如下两个问题。第一个问题是Dubins覆盖方法假定机器人只能以固定的转弯半径及速度运动，这限制了利用机器人加速来减少时间代价的能力。事实上，机器人可以以不同的速度运动，而速度的变化有时可以有效节省时间。然而，当前变速曲率机器人的时间最优路径规划大都聚焦于点到点的路径规划，而变速曲率机器人的时间最优CPP问题尚未得到解决。