基于改进人工势场的路径规划导航系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于改进人工势场的路径规划导航系统，包括路径探测机构、惯性导航机构、人工势场信息采集装置、扰动势场装置、障碍物填充装置和机器人执行机构，所述的路径探测机构用于通过超声波探测障碍物信息和周围环境信息，对救灾机器人的行走路径进行初步规划，所述的惯性导航机构用于获取机器人位置信息，所述的人工势场信息采集装置、扰动势场装置和障碍物填充装置用于帮助机器人逃离局部极小点，本实用新型将障碍物填充和扰动势场相结合，可以很好地帮助井下救灾机器人逃离局部极小点，重新规划路径，避免再次陷入其他局部极小点，成功完成救灾救险任务，可靠性高。
【专利说明】
基于改进人工势场的路径规划导航系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种机器人路径规划导航装置，具体是应用煤矿救灾机器人的，采用改进人工势场多技术融合的路径规划导航系统。
【背景技术】
[0002]煤矿井下矿难发生时，采用机器人进行探测和救援是可靠有效的途径，针对井下机器人的关键问题，如供电、防爆、机器人步履机械柔性等研究，通过科研人员长期不懈的努力，已取得了长足的进步。煤矿井下环境特殊，巷道相互交叉，空间狭小封闭，机器人路径规划一直是制约机器人在煤矿井下应用的难题，救灾机器人作为一种移动机器人，其路径规划的水平一定程度上决定了救灾的效率。矿井救灾机器人的任务是，在一定具有动态和静态的未知环境中，寻找一条没有碰撞的最佳路径，同时要满足相应参数的优化，例如，最短路径，最短时间，最低能耗等。传统的人工势场是由Khabit 1986年提出来的一种虚拟牛顿引力的方法，起初是为了解决机器人在抓取物体的时候，其手臂可以不触及工作台，后来运用到机器人运动避障中。其主要思想是将机器人、目标点和障碍物简化成点，目标点对机器人产生引力，障碍物对机器人产生斥力，在整个环境中，通过合力的作用控制机器人运动，进行路径规划。人工势场法是传统路径规划方法中较为成熟且简洁高效的算法，其主要思路是通过目标点对机器人产生引力，障碍物对机器人产生斥力，以及机器人之间相互作用力，形成一个智能的人工势场，对机器人进行实时的路径进行规划。但传统的人工势场存在局部极小点的问题，当障碍物在目标点附近时，还会出现机器人在目标点周围震荡，导致机器人无法到目标点的问题。
[0003]目前，根据人工势场的局部极小点问题，常用的解决办法有:障碍物填充法，探测法，机器人加速度参考法，距离参数参考法，等势场线法，Follow wall等。
[0004]障碍物填充导航:通过对凹形障碍物进行虚拟填充，产生新的斥力势场函数，避免机器人导航装置再次陷入凹形障碍物的局部极小点，缺点是很难及时判断障碍物的形状，往往会判断失误导致避障失败。
[0005]探测导航:通过给机器人导航装置输入常见产生局部极小点的障碍物模型，利用机器人自带的探测装置，探测前方是否存在可能产生局部极小点的障碍物，提前进行路径规划避障;缺点是由于机器人的探测装置探测范围有限，碰到煤矿井下的大型障碍物，往往无法提前探测到完整的障碍物，最终导致避障失败。
[0006]加速度参考导航:机器人加速度是反映机器人导航装置是否将要进入局部极小点的重要参数，将导航装置的加速度参数加入到斥力函数中，通过加速度大小来随时调节斥力函数，避免其陷入局部极小点，从而完成避障；缺点是算法比较复杂，往往会因为加速度误把目标位置当做局部极小点来处理。
[0007]距离参数参考导航:通过将机器人导航装置与目标位置的距离信息引入到斥力函数中，通过两者距离信息调节斥力函数，避免导航装置陷入局部极小点，从而完成避障;缺点是要时刻监测机器人与目标点的位置，算法的复杂程度增大，算法运行效率低，鲁棒性差。
[0008]等势场线导航:在机器人导航装置进行路径规划之前，对已知的环境信息进行模型构建，通过等势场线，来确定整个环境中势场最低的位置，包括局部极小点和目标位置，避免导航装置陷入局部极小点，从而完成避障;缺点是由于要对环境信息已知，并且要构造环境模型，不适于用在矿难后未知的煤矿井下环境中。
[0009]Follow wall:当机器人导航装置到达局部极小点的时候，选择一个合适的方向，让导航装置沿着障碍物的边缘直到机器人跳出局部极小点，从而完成避障;缺点是算法复杂程度高，算法内存占用率高，效率低。
[0010]可见现有的导航技术在煤矿井下非结构化环境中应用还需改进，因此，研究适合煤矿井下救灾机器人导航装置具有重要的意义。
【实用新型内容】
[0011]为了解决煤矿井下救灾机器人导航装置在人工势场法中局部极小点问题，本实用新型与以往的导航装置相比，采用了一种基于填充障碍物和扰动势场融合的煤矿井下救灾机器人路径规划系统。改进了救灾机器人在凹形障碍物中逃离局部极小点的性能，该导航装置能有效的帮助机器人逃离局部极小点，并避免导航装置连续陷入局部极小点，提高了导航装置的稳定性能，减小了装置的能耗，提高了导航的精度。
[0012]为实现上述目的，本实用新型的方案是:一种基于改进人工势场的路径规划导航系统，所述的路径规划导航系统包括路径探测机构、惯性导航机构、人工势场信息采集装置、扰动势场装置、障碍物填充装置和机器人执行机构；
[0013]所述的路径探测机构包括超声波检测单元和视觉导航单元，所述的超声波检测单元包括超声波发射传感器和超声波接收传感器，所述的视觉导航单元包括CXD摄像机，所述超声波发射传感器和超声波接收传感器用于通过超声波探测障碍物信息，所述的CCD摄像机用于检测周围环境信息，所述的路径探测机构根据障碍物信息和周围环境信息，对救灾机器人的行走路径进行初步规划；
[0014]所述的惯性导航机构包括加速度计和光纤陀螺仪，所述的加速度计用于测量救灾机器人的线加速度，获取救灾机器人的位置速度信息，所述的光纤陀螺仪用于测量救灾机器人的角加速度，获取救灾机器人的姿态信息；
[0015]所述的人工势场信息采集装置的输出端连接扰动势场装置，所述的人工势场信息采集装置用于对救灾机器人进行局部定位，并将救灾机器人陷入凹形障碍物的局部极小点信息发送给扰动势场装置；
[0016]所述扰动势场装置的输出端连接障碍物填充装置，所述的扰动势场装置用于在接收到救灾机器人陷入局部极小点信息后启动，帮助救灾机器人摆脱局部极小点，并发送信息给障碍物填充装置；
[0017]所述障碍物填充装置的输出端连接机器人执行机构，所述的障碍物填充装置用于在接收到救灾机器人摆动局部极小点的信息后启动，对凹形障碍物进行填充；
[0018]所述的机器人执行机构，用于根据接收到的障碍物信息和环境信息，控制就在机器人按照规划路径向目标点前行。
[0019]进一步地，根据本实用新型所述的基于改进人工势场的路径规划导航系统，所述的超声波检测单元包括单片机、前置放大电路、带通放大电路、触发脉冲电路和驱动电路，所述的单片机通过触发脉冲电路和驱动电路连接到超声波发射传感器，所述的超声波接收传感器通过前置放大电路和带通放大电路连接到扰动势场装置。
[0020]进一步地，根据本实用新型所述的基于改进人工势场的路径规划导航系统，所述的路径规划导航系统采用防爆设计，所述的防爆设计为正压兼本质安全型的混合防爆方式。
[0021]进一步地，根据本实用新型所述的基于改进人工势场的路径规划导航系统，所述的单片机采用AT89C51单片机。
[0022]进一步地，根据本实用新型所述的基于改进人工势场的路径规划导航系统，所述的惯性导航机构包括信号调理电路和A/D转换电路，所述的加速度计通过信号调理电路和A/D转换电路连接扰动势场装置，所述的光纤陀螺仪通过信号调理电路和A/D转换电路连接人工势场信息采集装置。
[0023]进一步地，根据本实用新型所述的基于改进人工势场的路径规划导航系统，所述的路径规划导航系统包括三个超声波检测单元，分别安置在救灾机器人的正前方、左前方和右前方。
[0024]与现有装置相比，本实用新型的优点在于:
[0025](I)本实用新型采用了障碍物填充和扰动势场相融合的煤矿井下救灾机器人进行路径规划，结合扰动势场装置帮助救灾机器人逃离局部极小点，并避免其再次陷入其他局部极小点。
[0026](2)本实用新型采用了正压兼本质安全型的混合防爆设计，混合防爆设计的质量轻，既保证了导航系统的安全，又使机器人具有良好的运动性能。
[0027](3)本实用新型采用障碍物填充装置，对凹形障碍物进行填充，解决了由于机器人本身探测范围有限带来的对凹形障碍物的探测失败，从而避免了陷入局部极小点而无法逃脱。
【附图说明】
[0028]图1是本实用新型的结构原理图；
[0029]图2是局部极小点的位置示意图；
[0030]图3是填充障碍物示意图；
[0031]图4是工作流程图。
【具体实施方式】
[0032]如图1所示，本实用新型所述的路径规划导航系统包括路径探测机构、惯性导航机构、人工势场信息采集装置、扰动势场装置、障碍物填充装置和机器人执行机构。
[0033]所述的路径探测机构包括超声波检测单元和视觉导航单元，本实施例所述的超声波检测单元设置有三个，分别安置在救灾机器人的正前方、左前方和右前方，所述的超声波检测单元包括单片机、触发脉冲电路、驱动电路，超声波发射传感器、前置放大电路、带通放大电路和超声波接收传感器，所述的单片机通过触发脉冲电路和驱动电路连接到超声波发射传感器，所述的超声波接收传感器通过前置放大电路和带通放大电路连接到扰动势场装置，所述超声波发射传感器和超声波接收传感器用于通过超声波探测障碍物信息。所述的视觉导航单元包括CCD摄像机，所述的CCD摄像机用于检测周围环境信息，所述的路径探测机构根据障碍物信息和周围环境信息，对救灾机器人的行走路径进行初步规划。
[0034]所述的惯性导航机构包括加速度计、光纤陀螺仪、信号调理电路和A/D转换电路，所述的加速度计通过信号调理电路和A/D转换电路连接扰动势场装置，所述的光纤陀螺仪通过信号调理电路和A/D转换电路连接人工势场信息采集装置。所述的加速度计用于测量救灾机器人的线加速度，获取救灾机器人的位置速度信息，所述的光纤陀螺仪用于测量救灾机器人的角加速度，获取救灾机器人的姿态信息，通过将救灾机器人周围的障碍物信息、周围环境信息、救灾机器人的位置速度信息以及姿态信息经过融合，规划救灾机器人的目标路线。
[0035]所述的人工势场信息采集装置的输出端连接扰动势场装置，所述的人工势场信息采集装置用于对救灾机器人进行局部定位，并将救灾机器人陷入凹形障碍物的局部极小点信息发送给扰动势场装置，局部极小点位置示意图如图2所示；
[0036]所述扰动势场装置的输出端连接障碍物填充装置，所述的扰动势场装置用于在接收到救灾机器人陷入局部极小点信息后启动，帮助救灾机器人摆脱局部极小点，并发送信息给障碍物填充装置；
[0037]所述障碍物填充装置的输出端连接机器人执行机构，所述的障碍物填充装置用于在接收到救灾机器人摆动局部极小点的信息后启动，对凹形障碍物进行填充，障碍物填充示意图，如图3所示；
[0038]所述的机器人执行机构，用于根据接收到的障碍物信息和环境信息，控制就在机器人按照规划路径向目标点前行。
[0039]如图4所示，本实用新型的主要工作过程如下:
[0040]步骤一:向路径规划导航系统中输入已知的煤矿井下全局信息；
[0041]步骤二，导航开始前，首先由路径探测机构探测障碍物和周围环境信息，并融合已知的环境信息，对救灾机器人的行走路径进行初步规划；
[0042]步骤三:导航开始，导航系统向目标点运行，直到陷入凹形障碍物局部极小点；此时救灾机器人到达整个规划路径中的势场最低点；启动扰动势场装置，当救灾机器人摆脱局部极小点后，扰动势场装置暂停工作；
[0043]步骤四:为了避免救灾机器人再次陷入凹形障碍物的其他局部极小点，扰动势场装置暂停工作后，启动障碍物填充装置，对凹形障碍物进行填充；
[0044]步骤五:判断救灾机器人是否已逃离局部极小点，如果仍陷入局部极小点，回到步骤二重新进行路径规划;如果逃离局部极小点，则继续进行救灾任务；
[0045]步骤六:救灾机器人到达目标位置，路径规划导航结束。
[0046]本实用新型将扰动势场导航和障碍物填充导航结合，考虑到煤矿井下多变的障碍物情况，当救灾机器人陷入局部极小点之后，通过扰动势场来使机器人逃离局部极小点，并且运用障碍物填充来填充产生局部极小点的障碍物，使救灾机器人逃离局部极小点的同时，避免救灾机器人再次陷入局部极小点。
【主权项】
1.一种基于改进人工势场的路径规划导航系统，其特征在于，所述的路径规划导航系统包括路径探测机构、惯性导航机构、人工势场信息采集装置、扰动势场装置、障碍物填充装置和机器人执行机构； 所述的路径探测机构包括超声波检测单元和视觉导航单元，所述的超声波检测单元包括超声波发射传感器和超声波接收传感器，所述的视觉导航单元包括CCD摄像机，所述超声波发射传感器和超声波接收传感器用于通过超声波探测障碍物信息，所述的CCD摄像机用于检测周围环境信息，所述的路径探测机构根据障碍物信息和周围环境信息，对救灾机器人的行走路径进行初步规划； 所述的惯性导航机构包括加速度计和光纤陀螺仪，所述的加速度计用于测量救灾机器人的线加速度，获取救灾机器人的位置速度信息，所述的光纤陀螺仪用于测量救灾机器人的角加速度，获取救灾机器人的姿态信息； 所述的人工势场信息采集装置的输出端连接扰动势场装置，所述的人工势场信息采集装置用于对救灾机器人进行局部定位，并将救灾机器人陷入凹形障碍物的局部极小点信息发送给扰动势场装置； 所述扰动势场装置的输出端连接障碍物填充装置，所述的扰动势场装置用于在接收到救灾机器人陷入局部极小点信息后启动，帮助救灾机器人摆脱局部极小点，并发送信息给障碍物填充装置； 所述障碍物填充装置的输出端连接机器人执行机构，所述的障碍物填充装置用于在接收到救灾机器人摆动局部极小点的信息后启动，对凹形障碍物进行填充； 所述的机器人执行机构，用于根据接收到的障碍物信息和环境信息，控制就在机器人按照规划路径向目标点前行。2.根据权利要求1所述的基于改进人工势场的路径规划导航系统，其特征在于，所述的超声波检测单元包括单片机、前置放大电路、带通放大电路、触发脉冲电路和驱动电路，所述的单片机通过触发脉冲电路和驱动电路连接到超声波发射传感器，所述的超声波接收传感器通过前置放大电路和带通放大电路连接到扰动势场装置。3.根据权利要求1所述的基于改进人工势场的路径规划导航系统，其特征在于，所述的基于改进人工势场的路径规划导航系统采用防爆设计，所述的防爆设计为正压兼本质安全型的混合防爆方式。4.根据权利要求2所述的基于改进人工势场的路径规划导航系统，其特征在于，所述的单片机采用AT89C51单片机。5.根据权利要求1所述的基于改进人工势场的路径规划导航系统，其特征在于，所述的惯性导航机构包括信号调理电路和A/D转换电路，所述的加速度计通过信号调理电路和A/D转换电路连接扰动势场装置，所述的光纤陀螺仪通过信号调理电路和A/D转换电路连接人工势场信息采集装置。6.根据权利要求1所述的基于改进人工势场的路径规划导航系统，其特征在于，所述的路径规划导航系统包括三个超声波检测单元，分别安置在救灾机器人的正前方、左前方和右前方。
【文档编号】G01C21/00GK205679995SQ201620184306
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年3月11日 公开号201620184306.1, CN 201620184306, CN 205679995 U, CN 205679995U, CN-U-205679995, CN201620184306, CN201620184306.1, CN205679995 U, CN205679995U
【发明人】田子建, 高学浩
【申请人】中国矿业大学(北京)