本發(fā)明涉及機(jī)器人路徑規(guī)劃，具體而言，涉及一種移動(dòng)充電機(jī)器人非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，尤其是在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，如倉(cāng)儲(chǔ)、工業(yè)、野外巡檢等場(chǎng)景。移動(dòng)充電機(jī)器人作為一種專(zhuān)門(mén)用于充電任務(wù)的自動(dòng)化設(shè)備，在這些環(huán)境中承擔(dān)著為設(shè)備和其他機(jī)器人提供充電服務(wù)的責(zé)任。為了提高效率和避免碰撞，移動(dòng)充電機(jī)器人的路徑規(guī)劃技術(shù)顯得尤為重要。

2、然而，現(xiàn)有的路徑規(guī)劃技術(shù)仍存在一些不足，無(wú)法完全滿(mǎn)足非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3、現(xiàn)有大多數(shù)路徑規(guī)劃算法，如a*算法和dijkstra算法，主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，即環(huán)境中的障礙物和目標(biāo)點(diǎn)是靜態(tài)的且已知的。這些算法能夠通過(guò)構(gòu)建預(yù)先定義的地圖（例如柵格地圖或拓?fù)鋱D）來(lái)計(jì)算最優(yōu)路徑，通常能夠快速提供從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的全局路徑。

4、然而，這些算法在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的應(yīng)用存在顯著缺陷。非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的障礙物分布通常不規(guī)則且動(dòng)態(tài)變化，例如野外的復(fù)雜地形、倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境中的貨架布局以及城市中隨時(shí)可能出現(xiàn)的行人和車(chē)輛等動(dòng)態(tài)障礙物?，F(xiàn)有的路徑規(guī)劃方法無(wú)法在這些環(huán)境中有效地處理動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致路徑規(guī)劃的實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性較差。

5、雖然在動(dòng)態(tài)避障方面已有一些解決方案，如動(dòng)態(tài)窗口法和人工勢(shì)場(chǎng)法，這些算法能夠通過(guò)實(shí)時(shí)感知周?chē)h(huán)境并做出反應(yīng)，避免機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞。但現(xiàn)有的局部避障方法存在以下缺點(diǎn)：

6、局部最優(yōu)問(wèn)題：許多動(dòng)態(tài)避障算法容易陷入局部最優(yōu)解，導(dǎo)致機(jī)器人在避障過(guò)程中偏離全局最優(yōu)路徑，最終造成路徑效率的降低。

7、計(jì)算復(fù)雜度高：在動(dòng)態(tài)避障過(guò)程中，實(shí)時(shí)的環(huán)境感知和決策計(jì)算要求較高，尤其是在動(dòng)態(tài)障礙物密集或環(huán)境變化較大的情況下，現(xiàn)有算法往往難以在短時(shí)間內(nèi)作出決策。

8、路徑不連續(xù)或不平滑：現(xiàn)有避障算法在處理路徑平滑性時(shí)較為欠缺，尤其是在存在多個(gè)障礙物或機(jī)器人需要頻繁變換行進(jìn)方向時(shí)，容易導(dǎo)致路徑不連續(xù)或過(guò)于陡峭，增加能耗。

9、在移動(dòng)充電機(jī)器人的路徑規(guī)劃中，能效是一個(gè)重要的考量因素?，F(xiàn)有的路徑規(guī)劃算法通常關(guān)注路徑的最短距離或最小時(shí)間，而忽略了路徑的能效優(yōu)化。移動(dòng)機(jī)器人在執(zhí)行充電任務(wù)時(shí)，電池壽命直接受到能耗的影響，現(xiàn)有技術(shù)往往無(wú)法結(jié)合地形和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)路徑進(jìn)行全面的能耗優(yōu)化，導(dǎo)致機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)無(wú)法最小化能量消耗。

10、地形能耗未充分考慮：地形的坡度、粗糙度等因素對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的能耗影響較大，但現(xiàn)有路徑規(guī)劃方法通常缺乏針對(duì)不同地形的精確能耗模型。

11、動(dòng)態(tài)能耗調(diào)整不足：現(xiàn)有算法往往沒(méi)有實(shí)時(shí)調(diào)整能耗的能力，無(wú)法在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)優(yōu)化路徑的能效，導(dǎo)致能量浪費(fèi)。

12、當(dāng)前路徑規(guī)劃方法通常將全局路徑規(guī)劃與局部避障規(guī)劃分開(kāi)處理，全局路徑規(guī)劃關(guān)注全局最優(yōu)路徑的計(jì)算，而局部避障規(guī)劃則處理實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)障礙物的避讓。然而，這兩者之間的協(xié)調(diào)存在以下問(wèn)題：

13、全局路徑與局部路徑的融合困難：現(xiàn)有的路徑融合算法大多是基于靜態(tài)條件下的路徑修正，在遇到動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)，無(wú)法有效地將全局最優(yōu)路徑與局部避障路徑結(jié)合起來(lái)，從而影響路徑的平滑性和效率。

14、路徑的偏離問(wèn)題：在局部避障過(guò)程中，機(jī)器人可能會(huì)偏離全局路徑的預(yù)定軌跡，造成路徑的冗長(zhǎng)或效率低下，而這種偏離很難被有效調(diào)整。

15、適應(yīng)性差：現(xiàn)有的路徑規(guī)劃算法大多數(shù)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的表現(xiàn)較差，尤其是在需要實(shí)時(shí)響應(yīng)環(huán)境變化的情況下，現(xiàn)有技術(shù)往往無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)器人對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

16、魯棒性差：環(huán)境中的障礙物類(lèi)型、分布和變化速度等因素可能會(huì)影響路徑規(guī)劃的魯棒性，現(xiàn)有技術(shù)在面對(duì)復(fù)雜和不確定環(huán)境時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致路徑規(guī)劃失敗或效率低下。

17、為此，我們急需設(shè)計(jì)一種移動(dòng)充電機(jī)器人非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的路徑規(guī)劃方法解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目是為了解決上述背景技術(shù)中提出的技術(shù)問(wèn)題，提供一種移動(dòng)充電機(jī)器人非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的路徑規(guī)劃方法。

2、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的方案為：

3、一種移動(dòng)充電機(jī)器人非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的路徑規(guī)劃方法，該方法包括以下步驟：

4、1）環(huán)境建模：通過(guò)激光雷達(dá)和攝像頭采集非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，生成二維柵格地圖或三維點(diǎn)云地圖，標(biāo)記障礙物分布和地形特征；

5、2）全局路徑規(guī)劃：基于改進(jìn)的a*算法從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算全局最優(yōu)路徑，所述路徑的代價(jià)函數(shù)為：

6、

7、其中，表示從起點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的總代價(jià)；表示從起點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的路徑實(shí)際代價(jià)；表示從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的啟發(fā)式估計(jì)代價(jià)；表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所處地形的復(fù)雜度權(quán)重；

8、3）局部路徑規(guī)劃：基于動(dòng)態(tài)窗口法，結(jié)合傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，生成動(dòng)態(tài)避障路徑，局部路徑代價(jià)函數(shù)為：

9、

10、其中：速度；角速度；

11、表示路徑朝向全局目標(biāo)點(diǎn)的程度

12、：表示避障清晰度，通過(guò)傳感器檢測(cè)障礙物與路徑的最小距離；

13、：表示局部路徑代價(jià)，結(jié)合當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的地形復(fù)雜度權(quán)重；

14、固定權(quán)重系數(shù)，滿(mǎn)足；

15、4）路徑融合：通過(guò)路徑融合算法結(jié)合全局路徑與局部路徑，路徑融合模型為：

16、

17、其中，表示最終路徑的綜合代價(jià)；表示全局路徑權(quán)重；

18、5）路徑優(yōu)化：在路徑規(guī)劃基礎(chǔ)上，根據(jù)能耗模型優(yōu)化最終路徑，優(yōu)化函數(shù)為：

19、

20、其中，：運(yùn)動(dòng)能耗；：地形能耗；t：路徑規(guī)劃的總時(shí)間；表示路徑的總能耗。

21、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述全局路徑規(guī)劃的地形復(fù)雜度權(quán)重由以下公式計(jì)算：

22、；

23、其中，表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所處地形的復(fù)雜度權(quán)重；表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的坡度值；為坡度臨界值；表示節(jié)點(diǎn)鄰域內(nèi)障礙物密度；為地形復(fù)雜度調(diào)節(jié)系數(shù)。

24、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述局部路徑的地形代價(jià)函數(shù)通過(guò)以下公式計(jì)算：

25、；

26、其中，表示局部路徑的地形代價(jià)；為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的線(xiàn)速度；為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的角速度；為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的地形復(fù)雜度權(quán)重，與全局路徑代價(jià)一致；為代價(jià)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)。

27、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述路徑融合模型中的動(dòng)態(tài)權(quán)重計(jì)算公式為：

28、；

29、其中，表示全局路徑權(quán)重，用于結(jié)合全局路徑代價(jià)和局部代價(jià)函數(shù)生成最終路徑代價(jià)；表示機(jī)器人當(dāng)前位置到目標(biāo)點(diǎn)的距離；表示路徑調(diào)整的距離閾值；表示權(quán)重調(diào)整的平滑參數(shù)。

30、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述運(yùn)動(dòng)能耗計(jì)算公式為：

31、；

32、其中，表示運(yùn)動(dòng)能耗；表示最終路徑的綜合代價(jià)。

33、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述地形能耗由以下公式計(jì)算：

34、；

35、其中，表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的坡度值表示地形粗糙度；為能耗計(jì)算的固定系數(shù)。

36、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，路徑規(guī)劃方法通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化，強(qiáng)化學(xué)習(xí)的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)為：

37、；

38、其中，，其中為障礙物密度，為碰撞懲罰系數(shù)；，其中為目標(biāo)方向代價(jià)，為進(jìn)展獎(jiǎng)勵(lì)系數(shù)，e。

39、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，最終路徑通過(guò)路徑平滑優(yōu)化算法進(jìn)行處理，所述路徑平滑優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：

40、；

41、其中，表示路徑的平滑代價(jià)，值越小表示路徑越平滑；分別為路徑在和方向上的二階導(dǎo)數(shù)，用于衡量路徑曲率變化；為路徑總長(zhǎng)度；通過(guò)最小化，確保路徑在障礙物稀疏區(qū)域的順暢性，同時(shí)保留局部避障能力。

42、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，路徑規(guī)劃通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化模型平衡能耗、時(shí)間和避障安全性，所述多目標(biāo)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為：

43、；

44、其中，表示總優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮路徑的能耗、時(shí)間和安全性；表示路徑的總能耗；表示路徑行進(jìn)時(shí)間，由以下公式計(jì)算：

45、；

46、其中為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的線(xiàn)速度；

47、表示路徑的避障安全性，由以下公式計(jì)算：

48、；

49、其中為對(duì)應(yīng)局部路徑障礙物密度；為目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)，滿(mǎn)足，根據(jù)具體場(chǎng)景需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

50、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，該路徑規(guī)劃方法適用于以下場(chǎng)景：

51、非結(jié)構(gòu)化倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境：移動(dòng)充電機(jī)器人在貨架間動(dòng)態(tài)避障并完成充電任務(wù)；

52、復(fù)雜野外環(huán)境：機(jī)器人在不同坡度和粗糙地形中規(guī)劃高效能耗路徑，例如風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備巡檢中的充電任務(wù)；

53、城市動(dòng)態(tài)環(huán)境：機(jī)器人在行人、車(chē)輛較多的城市公共場(chǎng)所規(guī)劃安全路徑并完成充電任務(wù)。

54、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備以下有益效果：

55、本發(fā)明通過(guò)結(jié)合全局路徑規(guī)劃與局部動(dòng)態(tài)避障，解決了傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的適應(yīng)性不足和實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。通過(guò)在全局路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，利用局部路徑規(guī)劃算法（如動(dòng)態(tài)窗口法）進(jìn)行實(shí)時(shí)避障，能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)環(huán)境變化，保證機(jī)器人能夠在復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的環(huán)境中快速、高效地完成任務(wù)。

56、本發(fā)明在路徑規(guī)劃中加入了能耗優(yōu)化模塊，考慮到地形的復(fù)雜度、機(jī)器人行進(jìn)速度等因素，能夠最小化路徑的能耗，延長(zhǎng)機(jī)器人工作時(shí)間。此外，通過(guò)路徑平滑優(yōu)化算法，減少了機(jī)器人路徑的突然轉(zhuǎn)彎和劇烈運(yùn)動(dòng)，使得路徑更加平滑，避免了由于路徑不平滑帶來(lái)的額外能耗，提升了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的舒適性和穩(wěn)定性。

57、本發(fā)明通過(guò)結(jié)合全局路徑和局部路徑的動(dòng)態(tài)融合算法，在機(jī)器人避開(kāi)障礙物的同時(shí)，盡可能保持全局路徑的連貫性，避免局部避障導(dǎo)致的路徑冗長(zhǎng)或低效問(wèn)題。這種全局與局部路徑融合的方法，不僅提升了路徑規(guī)劃的魯棒性，還確保了在動(dòng)態(tài)障礙物密集的環(huán)境中，機(jī)器人能夠高效、安全地完成任務(wù)。