本发明涉及控制领域，具体而言，涉及一种机器人转向运动控制方法和装置、机器人、存储介质。
背景技术
随着机器人技术的进步，移动机器人与人的互动已经成为了机器人技术发展的一个方向。当人和机器人出现在同一个环境中时，避免人机碰撞是需要首先解决的一个问题。由于人会移动，所以无法通过事先对环境的建模来避开。为了避开像人这样的无法事先预测的障碍物，需要为机器人设计一个实时的避障算法。
目前，对于一些基于人工智能的避障算法，如遗传算法和神经网络算法等，由于计算相对复杂，不易实现实时控制。在未知环境中解决避障问题时，人工势场法由于其数学上的简洁性，成为了移动机器人实时避障的首选方法。人工势场法是由khatbi提出的一种机器人路径规划方法(oussamakhatib，real-timeobstacleavoidanceformanipulatorsandmobilerobots.procofthe1994ieee.)。该算法将机器人在环境中的运动看成是在人造的引力场中的运动。在这个引力场中，目标物对机器人产生引力，障碍物对机器人产生斥力，通过计算机器人在这个引力场中所受到的合力来改变机器人的运动。
人工势场法避障有一个缺陷就是当机器人所受的合力方向与机器人运动方向相反(即目标物与障碍物都处于机器人运动方向上，且障碍物在机器人与目标物之间)时，这个合力只会令机器人减速停下，不会导致机器人的转向，所以机器人无法绕过这个障碍，只会在这条线上来回运动。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种机器人转向运动控制方法和装置、机器人、存储介质，以至少解决现有技术基于人工势场法避障技术中障碍物处于机器人和目标之间且障碍物和目标都在机器人正前方时无法避障的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种机器人转向运动控制方法，包括：根据机器人的位置信息和外部环境信息计算目标物对所述机器人产生的虚拟引力和障碍物对所述机器人产生的虚拟斥力；获取与虚拟合力相关联的第一角度变化，其中，所述虚拟合力由所述虚拟引力和所述虚拟斥力确定；计算与所述虚拟合力相关联的速度变化；获取与所述速度变化相关联的第二角度变化；根据所述第一角度变化和所述第二角度变化计算目标转角；控制所述机器人按照所述目标转角进行转向。
进一步地，获取与所述速度变化关联的第二角度变化包括：将所述速度变化与预设系数相乘，得到所述第二角度变化。
进一步地，控制所述机器人按照所述目标转角进行转向，包括：判断所述目标转角是否大于第一预设转角；如果所述目标转角大于所述第一预设转角，控制所述机器人按照所述目标转角进行转向，并控制所述机器人以第一速度向前运动。
进一步地，如果所述目标转角小于等于所述第一预设转角，控制所述机器人按照所述目标转角进行转向，并控制所述机器人以第二速度向前运动，其中，所述第二速度大于所述第一速度。
进一步地，控制所述机器人以第二速度向前运动，包括：根据以下公式计算所述第二速度：
进一步地，获取与虚拟合力相关联的第一角度变化，包括：根据矢量合成法对所述虚拟引力和所述虚拟斥力进行合成，得到所述虚拟合力，并根据所述虚拟合力得到所述第一角度变化。
进一步地，根据所述第一角度变化和所述第二角度变化计算目标转角，包括：将所述第一角度变化和所述第二角度变化按照预设权重进行加权，得到所述目标转角。
进一步地，根据机器人的位置信息计算目标物对所述机器人产生的虚拟引力和障碍物对所述机器人产生的虚拟斥力，包括：根据以下公式计算所述虚拟引力和所述虚拟斥力：
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种机器人转向运动控制装置，包括：第一计算单元，用于根据机器人的位置信息和外部环境信息计算目标物对所述机器人产生的虚拟引力和障碍物对所述机器人产生的虚拟斥力；第一获取单元，用于获取与虚拟合力相关联的第一角度变化，其中，所述虚拟合力由所述虚拟引力和所述虚拟斥力确定；第二计算单元，用于计算与所述虚拟合力相关联的速度变化；第二获取单元，用于获取所述速度变化相关联的第二角度变化；第三计算单元，用于根据所述第一角度变化和所述第二角度变化计算目标转角；控制单元，用于控制所述机器人按照所述目标转角进行转向。
进一步地，所述第二获取单元用于：将所述速度变化与预设系数相乘，得到所述第二角度变化。
进一步地，所述控制单元包括：判断子单元，用于判断所述目标转角是否大于第一预设转角；第一控制子单元，用于在所述目标转角大于所述第一预设转角的情况下，控制所述机器人按照所述目标转角进行转向，并控制所述机器人以第一速度向前运动。
进一步地，所述控制单元还包括：第二控制子单元，用于在所述目标转角小于等于所述第一预设转角的情况下，控制所述机器人按照所述目标转角进行转向，并控制所述机器人以第二速度向前运动，其中，所述第二速度大于所述第一速度。
进一步地，所述第二控制子单元用于：根据以下公式计算所述第二速度：
进一步地，第一获取单元用于：根据矢量合成法对所述虚拟引力和所述虚拟斥力进行合成，得到所述虚拟合力，并根据所述虚拟合力得到所述第一角度变化。
进一步地，所述第三计算单元用于：将所述第一角度变化和所述第二角度变化按照预设权重进行加权，得到所述目标转角。
进一步地，所述第一计算单元根据以下公式计算所述虚拟引力和所述虚拟斥力：
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种机器人，包括：探测器，用于探测机器人的位置信息和外部环境信息，以及上述的机器人转向运动控制装置。
在本发明实施例中，通过虚拟引力和虚拟斥力的向量加法，得到机器人所需的虚拟合力，为了便于控制，只计算由虚拟合力引起的角度变化，然而，在沿机器人运动方向上的力只会引起速度的变化，并不会改变机器人方向。因此，将机器人速度的变化也映射为转角，以便机器人能避开正前方的障碍物，将这个角度变化(第二角度变化)与由虚拟合力引起的角度变化(第一角度变化)相叠加作为机器人在当前位置应该执行的转角(目标转角)，由于机器人的减速也被映射为转角的变化，因此在机器人正前方有障碍物时，机器人也能产生转角变化，从而绕过这个障碍，达到了高效避障的技术效果，进而解决了现有技术基于人工势场法避障技术中障碍物处于机器人和目标之间且障碍物和目标都在机器人正前方时无法避障的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种可选的机器人转向运动控制方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的另一种可选的机器人转向运动控制方法的流程图；
图3是根据本发明实施例的一种可选的机器人转向运动控制装置的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明实施例，提供了一种机器人转向运动控制方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的一种可选的机器人转向运动控制方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤s102，根据机器人的位置信息和外部环境信息计算目标物对机器人产生的虚拟引力和障碍物对机器人产生的虚拟斥力。
步骤s104，获取与虚拟合力相关联的第一角度变化，其中，虚拟合力由虚拟引力和虚拟斥力确定。
步骤s106，计算与虚拟合力相关联的速度变化。
步骤s108，获取与速度变化相关联的第二角度变化。
步骤s110，根据第一角度变化和第二角度变化计算目标转角。
步骤s112，控制机器人按照目标转角进行转向。
机器人的位置信息和外部环境信息至少包括以下之一：机器人当前位置，机器人当前方向，目标位置，各个方向上障碍物的距离。
现有技术中，人工势场法避障有一个缺陷，当机器人所受的虚拟合力方向与机器人运动方向相反(即目标物与障碍物都处于机器人运动方向上，且障碍物在机器人与目标物之间)时，这个虚拟合力只会令机器人减速停下，不会导致机器人的转向，所以机器人无法绕过这个障碍，只会在这条线上来回运动。
在本发明实施例中，通过虚拟引力和虚拟斥力的向量加法，得到机器人所需的虚拟合力，为了便于控制，只计算由虚拟合力引起的角度变化，然而，在沿机器人运动方向上的力只会引起速度的变化，并不会改变机器人方向。因此，将机器人速度的变化也映射为转角，以便机器人能避开正前方的障碍物，将这个角度变化(第二角度变化)与由虚拟合力引起的角度变化(第一角度变化)相叠加作为机器人在当前位置应该执行的转角(目标转角)，由于机器人的减速也被映射为转角的变化，因此在机器人正前方有障碍物时，机器人也能产生转角变化，从而绕过这个障碍，避免了现有技术中基于人工势场法避障技术中障碍物处于机器人和目标之间且障碍物和目标都在机器人正前方时无法避障的技术问题，达到了高效避障的技术效果。
可选地，获取与虚拟合力相关联的第一角度变化，包括：根据矢量合成法对虚拟引力和虚拟斥力进行合成，得到虚拟合力，并根据虚拟合力得到第一角度变化。可以利用平行四边形法则或者三角形定则对虚拟引力和虚拟斥力进行合成。
可选地，根据第一角度变化和第二角度变化计算目标转角，包括：将第一角度变化和第二角度变化按照预设权重进行加权，得到目标转角。目标转角＝第一角度变化×第一权重值+第一角度变化×第二权重值。第一权重值与第二权重值均不为零，二者可以相等，也可以不相等。
可选地，获取速度变化关联的第二角度变化包括：将速度变化与预设系数相乘，得到第二角度变化，以将机器人的减速映射为转角的变化。
可选地，控制机器人按照目标转角进行转向，包括：判断目标转角是否大于第一预设转角；如果目标转角大于第一预设转角，控制机器人按照目标转角进行转向的同时控制机器人以第一速度向前运动。如果目标转角小于等于第一预设转角，控制机器人按照目标转角进行转向的同时控制机器人以第二速度向前运动，其中，第二速度大于第一速度。
在机器人执行旋转命令时，将速度和角度做线性对应。当机器人检测到障碍物需要改变运动方向时，如果只从避障的角度来考虑，应该让机器人停下来旋转。然而，突然停止与突然的启动会使机器人的运动出现明显的卡顿，尤其是当机器人运动速度较大时，这种现象会更加明显，如果机器人保持一定速度进行旋转时，机器人的运动路径将会是一个圆弧，有可能会碰到附近的障碍物。为了解决这个问题，将旋转角度与旋转时的线速度做线性对应，当算法输出的旋转角度较小(目标转角小于等于第一预设转角)时，说明障碍物距离较远，没有碰撞危险，让机器人旋转的同时保持一个较大的速度(第二速度)，以保持运动平稳，而当算法输出的旋转角度较大(目标转角大于第一预设转角)时，说明机器人离障碍物较近，让机器人旋转的同时保持一个较小的速度(第一速度)或停止，以避免碰撞。
可选地，控制机器人按照目标转角进行转向,包括：判断目标转角是否大于等于第二预设转角；如果目标转角大于等于第二预设转角，控制机器人按照目标转角进行转向。
对障碍物距离以及机器人转角控制信号设定阈值。为了保证机器人运动顺畅，不会对噪音信号做过大反应，规定只有当障碍物与机器人的距离小于一个设定的阈值时才会对这个障碍物做处理。对于给机器人输出的转角控制信号，同样设定了一个阈值(第二预设转角)，规定当输出的转角信号大于这个阈值时，机器人才会执行。通过设定阈值，保证了机器人的平稳运行，不会一直转来转去。
可选地，控制机器人以第二速度向前运动，包括：根据以下公式计算第二速度：
可选地，根据机器人的位置信息计算目标物对机器人产生的虚拟引力和障碍物对机器人产生的虚拟斥力，包括：根据以下公式计算虚拟引力和虚拟斥力：
由于机器人被设定为只向前运动，不会后退，所以只有前方，左方，右方装有探测器，例如超声探头，所以只有这三个方向上的距离。
k1和k2可根据具体应用作调整。虚拟斥力系数越大，则避障效果越好，但是会走弯路。虚拟引力系数越大，机器人更容易被拉回朝向目标物的轨迹，走的弯路少，但是避障效果会变差。为了机器人运动顺畅，在左右两边的障碍物距离在一定距离之内，例如一米之内时，才会被当做障碍物。
作为一种可选的实施例，本方案通过利用机器人的实时数据，并结合运动要求，对人工势场算法进行了改进。如图2所示，在避障流程中，首先接收机器人当前的数据，包括：机器人当前位置，机器人当前方向，目标位置，各个方向上障碍物的距离(由于机器人被设定为只向前运动，不会后退，所以只有前方，左方，右方装有超声探头，所以只有这三个方向上的距离)。读取到所需的数据后，下一步就是利用人工势能法计算机器人运动状态的改变。首先是计算机器人所受的力，虚拟引力和虚拟斥力计算如下：
以下给出几个本发明实施例适用的场景。
场景一：在未知环境中进行避障。
当机器人的运动环境是未知的，上层控制程序只给定目标位置。机器人将在运动过程中实时检测障碍物并调整运动状态直至到达目标物。具体过程如下：
当机器人收到目标位置并开始运动后，机器人将开始检测周围障碍物，并结合自身位置以及目标位置算出当前运动方向应做的改变。如果机器人周围没有障碍物，机器人将只受目标物的虚拟引力作用，改变方向直到朝向目标物，再朝目标物直线运动。当运动过程中检测到了附近障碍物时，比起目标物，障碍物距离机器人较近，虚拟斥力会起主导作用，机器人会受到虚拟斥力作用而改变方向直到检测不到障碍物，当避开障碍物后，机器人又将受虚拟引力作用而转向目标物。整个运动过程中，机器人将重复上述步骤直到到达最终目标物。
场景二：在规定路径上前进时躲避突发障碍。
当上层控制程序需要机器人按特定路径行走，可先规划出一条路径。机器人可以在沿规划路径前进的过程中躲避路径附近突然出现的障碍物并到达目标物。具体过程如下：
机器人开始运动后，规定机器人当前位置前方一定距离的规划路径上的一点为目标物，对机器人产生虚拟引力，该局部目标物会随着机器人运动实时更新。当前进路径上没有突发的障碍时，机器人受局部目标物的虚拟引力而一直保持在所规划路径上运动，而在所规划路径附近出现障碍物时，机器人会受到障碍物虚拟斥力作用而偏离所规划路径，当避开障碍物后，机器人又将受局部目标物虚拟引力作用而回到所规划的路径上。整个运动过程中，机器人将重复上述步骤直到到达最终目标物。
场景三：利用该算法实现跟随运动。
当需要机器人实现跟随运动(例如跟随一个人或者另一个机器人)时，可以利用此算法进行实现。机器人可在跟随的同时避开障碍物。具体过程如下：
实现跟随运动可以通过将要跟随物体设置为目标物来实现。在运动过程中，可以让跟随目标物携带位置传感器，并实时将这个位置传给机器人，用这个位置来替代图一种的目标位置。同时还需要规定一个安全距离，当机器人和目标物距离到达这个范围之内的时候就令机器人停止运动以防止碰撞。其余步骤与场景一相同。
本发明实施例还提供了一种机器人转向运动控制装置，该机器人转向运动控制装置能够执行上述机器人转向运动控制方法，上述机器人转向运动控制方法也能够通过该机器人转向运动控制装置执行。
图3是根据本发明实施例的机器人转向运动控制装置的示意图，如图3所示，该装置包括：第一计算单元10、第一获取单元20、第二计算单元30、第二获取单元40、第三计算单元50、控制单元60。
第一计算单元10，用于根据机器人的位置信息和外部环境信息计算目标物对机器人产生的虚拟引力和障碍物对机器人产生的虚拟斥力。
第一获取单元20，用于获取虚拟合力关联的第一角度变化，其中，虚拟合力是根据虚拟引力和虚拟斥力计算出来的。
第二计算单元30，用于计算与虚拟合力关联的速度变化。
第二获取单元40，用于获取速度变化关联的第二角度变化。
第三计算单元50，用于根据第一角度变化和第二角度变化计算目标转角。
控制单元60，用于控制机器人按照目标转角进行转向。
可选地，第二获取单元40用于：将速度变化与预设系数相乘，得到第二角度变化。
可选地，控制单元60包括：判断子单元、第一控制子单元。判断子单元，用于判断目标转角是否大于第一预设转角。第一控制子单元，用于在目标转角大于第一预设转角的情况下，控制机器人按照目标转角进行转向的同时控制机器人以第一速度向前运动。
可选地，控制单元60还包括：第二控制子单元。第二控制子单元，用于在目标转角小于等于第一预设转角的情况下，控制机器人按照目标转角进行转向的同时控制机器人以第二速度向前运动，其中，第二速度大于第一速度。
可选地，第二控制子单元用于：根据以下公式计算第二速度：
可选地，第一获取单元20用于：根据矢量合成法对虚拟引力和虚拟斥力进行合成，得到虚拟合力，并根据虚拟合力得到第一角度变化。
可选地，第三计算单元50用于：将第一角度变化和第二角度变化按照预设权重进行加权，得到目标转角。
可选地，第一计算单元10根据以下公式计算虚拟引力和虚拟斥力：
本发明实施例还提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行上述的机器人转向运动控制方法。
本发明实施例还提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述的机器人转向运动控制方法。
本发明实施例还提供了一种机器人，该机器人包括：探测器，用于探测机器人的位置信息，以及上述的机器人转向运动控制装置。
本发明实施例还提供了一种机器人，该机器人包括：机器人本体、探测器、处理器。探测器，用于探测机器人的位置信息。处理器，处理器运行程序，其中，程序运行时对于从探测器输出的数据执行如下处理步骤：根据机器人的位置信息计算目标物对机器人产生的虚拟引力和障碍物对机器人产生的虚拟斥力；获取虚拟合力关联的第一角度变化，其中，虚拟合力是根据虚拟引力和虚拟斥力计算出来的；计算与虚拟合力关联的速度变化；获取速度变化关联的第二角度变化；根据第一角度变化和第二角度变化计算目标转角；控制机器人按照目标转角进行转向。探测器可以是超声探头。
本发明实施例还提供了一种机器人，该机器人包括：机器人本体、探测器、存储介质。探测器，用于探测机器人的位置信息。存储介质，用于存储程序，其中，程序在运行时对于从探测器输出的数据执行如下处理步骤：根据机器人的位置信息计算目标物对机器人产生的虚拟引力和障碍物对机器人产生的虚拟斥力；获取虚拟合力关联的第一角度变化，其中，虚拟合力是根据虚拟引力和虚拟斥力计算出来的；计算与虚拟合力关联的速度变化；获取速度变化关联的第二角度变化；根据第一角度变化和第二角度变化计算目标转角；控制机器人按照目标转角进行转向。探测器可以是超声探头。
本专利属于移动机器避障领域，适用于未建模的障碍物。该避障算法利用超声探测器获取障碍物相对机器人的位置信息，再结合室内定位方法所得到的机器人的位置信息以及由陀螺仪得到的机器人姿态信息，来对机器人进行路径规划，可以避开在机器人前进路径上的障碍物并准确到达目标。
通过结合实际需求，本发明实施例对现有人工势场避障算法进行了改进，使得机器人能在保持平稳运动的同时实现较好的避障效果。
根据探测器的反馈数据再结合上层的控制命令，通过计算虚拟合力来改变机器人运动方向，算法运算简洁，实时性好，能高效的实现避障功能，节省成本并且运行高效。
该避障算法在已知机器人位置信息的情况下，可用于所有移动机器人的避障。也可用于无人机，潜水艇的避障。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。