CN108303089A - 基于三维激光的绕障方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于三维激光的绕障方法，属于路径规划领域，包括：确定路面上的障碍物的平面坐标值；对处于平面坐标值上的障碍物进行膨胀处理；基于三维激光对障碍物进行预设数量次数的周期扫描，对障碍物出现的概率进行修正，基于修正结果对移动平台的行进路径进行规划，对规划后的路径进行平滑处理；令移动平台按处理后的路径行进，实现绕障操作。通过膨胀处理的方式确定障碍物的边缘位置，确定能够绕开障碍物的最短路径，在获取到的最短路径的基础上进行平滑处理，得到在绕开障碍物基础上同时提高移动平台的运行速度，从而实现准确的绕障行进路径，降低现有技术中其他绕障方案存在曲线，有效减小检测盲区的存在。

Description

基于三维激光的绕障方法

技术领域

本发明属于路径规划领域，特别涉及基于三维激光的绕障方法。

背景技术

基于移动平台的绕障方法，有二维激光平面绕障、超声波绕障、红外光电传感器绕障等方案；由于传感器本身的特性所决定，无法对整个障碍物做全面的检测，存在较大的盲区。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了使用膨胀算法对障碍物坐标值进行处理，从而得到准确的障碍物的边缘位置，最终实现准确绕障的基于三维激光的绕障方法。

为了达到上述技术目的，本发明提供了基于三维激光的绕障方法，用于安装在移动平台上的激光发射器发出的三维激光进行绕障处理，所述绕障方法，包括：

以移动平台为坐标原点构建三维坐标系，通过三维激光对移动平台的行进路面进行扫描，确定路面上的障碍物的平面坐标值；

确定移动平台相对于路面的比例关系，确定比例系数，根据比例系数对处于平面坐标值上的障碍物进行膨胀处理，得到处理后的坐标值；

基于三维激光对障碍物进行预设数量次数的周期扫描，根据周期扫描结果对障碍物出现的概率进行修正，基于修正结果判定障碍物的出现情况；

根据障碍物出现情况，结合A*算法对移动平台的行进路径进行规划，获取到规划后的路径，对规划后的路径进行处理；

令移动平台按处理后的路径行进，实现绕障操作。

可选的，所述根据障碍物出现情况，结合A*算法对移动平台的行进路径进行规划，获取到规划后的路径，对规划后的路径进行平滑处理，包括：

基于最小二乘法对规划后的路径进行平滑处理，得到平滑处理后的路径；

对平滑处理后的路径进行基于动态窗口的实时处理，得到处理后的路径。

可选的，所述对平滑处理后的路径进行基于动态窗口的实时调整处理，得到处理后的路径，包括：

获取当前移动平台的运动模型，基于运动模型实时获取移动平台的行进参数；

基于行进参数中的方位角、行进空隙、行进速度进行基于归一化的实时处理。

可选的，所述通过三维激光对移动平台的行进路面进行扫描，确定路面上的障碍物的平面坐标值，包括：

当通过三维激光对路面进行扫描发现障碍物后，根据激光发射器相对于标准位置的相对夹角、以及三维激光的往返时间差，确定障碍物相对于移动平台的空间夹角和相对距离；

结合移动平台在三维坐标系中所处的坐标原点，确定障碍物的三维坐标值，删除三维坐标值中的高度坐标值，得到障碍物的平面坐标值。

可选的，所述确定移动平台相对于路面的比例关系，确定比例系数，根据比例系数对处于平面坐标值上的障碍物进行膨胀处理，得到处理后的坐标值，包括：

获取移动平台的实际尺寸，根据路面的实际尺寸，确定移动平台相对于路面的比例系数；

根据比例系数对障碍物的坐标进行膨胀处理，得到膨胀后障碍物尺寸边缘位置的坐标值。

可选的，所述基于三维激光对障碍物进行预设数量次数的周期扫描，根据周期扫描结果对障碍物出现的概率进行修正，基于修正结果判定障碍物的出现情况，包括：

在得到膨胀后尺寸边缘位置的坐标值后，令三维激光进行预设数量次数的周期扫描；

在每次扫描后，结合公式一根据扫描过程中障碍物是否出现对障碍物出现的概率进行修正，

其中，ω₀为障碍物出现的概率初始值，取值为1，k为修正权重，ω_i为修正后的障碍物出现概率，i的取值为正整数；

在周期扫描完成后，如果ω_i的取值大于1，则判定障碍物在移动平台的行进路径上出现；相反则判定障碍物在移动平台的行进路径上不会出现。

可选的，所述根据障碍物出现情况，对移动平台的行进路径进行规划，包括：

对移动平台所处路面进行栅格化处理得到栅格地图，通过A*算法对移动平台所处路面进行全局搜索，确定在栅格地图中获取移动平台与周围物体的相对距离；

从相对距离中选取最短距离，根据最短距离对应的方向确定最短路径，令移动平台沿最短路径行进，实现绕障操作。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

通过膨胀处理的方式确定障碍物的边缘位置，结合A*算法确定能够绕开障碍物的最短路径，从而实现准确的绕障行进路径，降低现有技术中其他绕障方案存在曲线，有效减小检测盲区的存在。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于三维激光的绕障方法的流程示意图；

图2是本发明提供的确定最短路径的示意图。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

本发明提供了基于三维激光的绕障方法，用于安装在移动平台上的激光发射器发出的三维激光进行绕障处理，如图1所示，所述绕障方法，包括：

11、以移动平台为坐标原点构建三维坐标系，通过三维激光对移动平台的行进路面进行扫描，确定路面上的障碍物的平面坐标值；

12、确定移动平台相对于路面的比例关系，确定比例系数，根据比例系数对处于平面坐标值上的障碍物进行膨胀处理，得到处理后的坐标值；

13、基于三维激光对障碍物进行预设数量次数的周期扫描，根据周期扫描结果对障碍物出现的概率进行修正，基于修正结果判定障碍物的出现情况；

14、根据障碍物出现情况，结合A*算法对移动平台的行进路径进行规划，获取到规划后的路径，对规划后的路径进行处理；

15、令移动平台按处理后的路径行进，实现绕障操作。

在实施中，为了实现基于三维激光的绕障处理，首先建立坐标系，确定障碍物在坐标系中的准确坐标值，接着根据移动平台的实际尺寸与路面实际尺寸的比例系数，以便根据比例系数对障碍物进行膨胀处理，确定障碍物的实际尺寸；再次基于三维激光对路面进行多次扫描，对障碍物是否出现进行再次准确判断，基于判断结果以组合最短路径的方式确定能够绕障的行进路径。

通过膨胀处理的方式确定障碍物的边缘位置，确定能够绕开障碍物的最短路径，在获取到的最短路径的基础上进行平滑处理，得到在绕开障碍物基础上同时提高移动平台的运行速度，从而实现准确的绕障行进路径，降低现有技术中其他绕障方案存在曲线，有效减小检测盲区的存在。

可选的，所述通过三维激光对移动平台的行进路面进行扫描，确定路面上的障碍物的平面坐标值，包括：

当通过三维激光对路面进行扫描发现障碍物后，根据激光发射器相对于标准位置的相对夹角、以及三维激光的往返时间差，确定障碍物相对于移动平台的空间夹角和相对距离；

结合移动平台在三维坐标系中所处的坐标原点，确定障碍物的三维坐标值，删除三维坐标值中的高度坐标值，得到障碍物的平面坐标值。

在实施中，在移动平台上安装的激光发射器能够通过发射三维激光的方式确定障碍物相对于移动平台的夹角及距离，进而在以移动平台为坐标原点构建的三维坐标系中确定障碍物的三维坐标值，接着以删除高度坐标值的方式确定障碍物的二维坐标值。

可选的，所述确定移动平台相对于路面的比例关系，确定比例系数，根据比例系数对处于平面坐标值上的障碍物进行膨胀处理，得到处理后的坐标值，包括：

21、获取移动平台的实际尺寸，根据路面的实际尺寸，确定移动平台相对于路面的比例系数；

22、根据比例系数对障碍物的坐标进行膨胀处理，得到膨胀后障碍物尺寸边缘位置的坐标值。

在实施中，为了准确确定障碍物的实际尺寸，需要根据移动平台的实际尺寸与路面的实际尺寸的比例系数对障碍物的坐标值进行膨胀处理，

膨胀公式 p2`(x`，y`)＝p2(x+L，y+W)。

在上述膨胀公式中，p2(x，y)为步骤一中确定的障碍物的平面坐标值，(L，W)为根据移动平台的实际尺寸与路面的实际尺寸确定在在坐标系两个坐标轴方向上的比例系数，p2`(x`，y`)为膨胀处理后的障碍物的具体坐标值。

可选的，所述基于三维激光对障碍物进行预设数量次数的周期扫描，根据周期扫描结果对障碍物出现的概率进行修正，基于修正结果判定障碍物的出现情况，包括：

在得到膨胀后尺寸边缘位置的坐标值后，令三维激光进行预设数量次数的周期扫描；

在每次扫描后，结合公式一根据扫描过程中障碍物是否出现对障碍物出现的概率进行修正，

其中，ω0为障碍物出现的概率初始值，取值为1，k为修正权重，ω_i为修正后的障碍物出现概率，i的取值为正整数；

在周期扫描完成后，如果ω_i的取值大于1，则判定障碍物在移动平台的行进路径上出现；相反则判定障碍物在移动平台的行进路径上不会出现。

在实施中，三维激光雷达装置以每周期对环境中的障碍物做检测，第一周期检测到的障碍物在第二周期消失之后，则降低该障碍物的粒子权重(达到0时候消失)；如果在第后续周期中该障碍物又出现，则加重该障碍物的粒子权重ω_i(初始值和最大值均为1)。

可选的，所述根据障碍物出现情况，对移动平台的行进路径进行规划，包括：

对移动平台所处路面进行栅格化处理得到栅格地图，通过A*算法对移动平台所处路面进行全局搜索，确定在栅格地图中获取移动平台与周围物体的相对距离；

从相对距离中选取最短距离，根据最短距离对应的方向确定最短路径，令移动平台沿最短路径行进，实现绕障操作。

在实施中，A*算法即为通过全局搜索移动平台当前所在栅格地图中的点与目标点之间的最短距离，从而得到最短路径，得到最短路径的示意图如图2所示。在每个栅格中包括有与不同方向对应的相对距离值，以及表示最短距离对应的行进方向的箭头。在最初的栅格中设有移动平台，在最终的栅格中设有代表目的地的五星，以及代表障碍物的阴影矩形块。

可选的，所述根据障碍物出现情况，结合A*算法对移动平台的行进路径进行规划，获取到规划后的路径，对规划后的路径进行平滑处理，包括：

基于最小二乘法对规划后的路径进行平滑处理，得到平滑处理后的路径；

对平滑处理后的路径进行基于动态窗口的实时处理，得到处理后的路径。

在实施中，本质上借助A*算法已经能够完成路径规划，但是规划后的路径为横平竖直的路径，移动平台如果按这样的路径行进，势必要进行准确的转向控制，同时要进行往复的加速、减速操作。该行进方式严重影响了移动平台的行进效率，因此还需要对规划后的路径进行平滑处理，使得路径更符合移动平台的行进方式。

具体的，该平滑处理可以使用最小二乘法实现。

可选的，所述对平滑处理后的路径进行基于动态窗口的实时调整处理，得到处理后的路径，包括：

获取当前移动平台的运动模型，基于运动模型实时获取移动平台的行进参数；

基于行进参数中的方位角、行进空隙、行进速度进行基于归一化的实时处理。

在实施中，动态窗口法是在速度空间中采取多组速度值，模拟在上述速度下一定时间内的行进轨迹，进而从多组轨迹中通过评价的方式选取最优轨迹对应的速度驱动移动平台进行移动。

具体的，得到处理后路径的步骤包括如下两步：

首先，获取当前移动平台的运动模型。如果移动平台是全向移动的，则获取两个相邻时刻下移动平台的移动距离，由于扫描间隔很短，因此可以将两个相邻时刻之间的距离等效为直线，以此类推，整个时间段内的位移通过每段距离累加求和的方式即可得到。

其次，对移动平台行进过程中包括方位角、行进空隙、行进速度的行进参数进行采样，在采样过程中，考虑到受电机性能的影响，以及移动过程中障碍物的影响，构建评价函数。

评价函数中包括了代表模拟轨迹末端时朝向与目标之间的角度差距的方位角、代表当前轨迹上与最近障碍物之间距离的行进空隙、以及当前行进轨迹中速度大小的行进速度三个基准值。

另外，之所以进行归一化处理是为了保证移动平台行进过程中轨迹的平滑性。移动平台在行进过程中检测到的最小障碍物距离在二维空间中不是连续的，例如在同一位置的相邻位置获取到的与障碍物之间的距离可能会差距很大，因此通过归一化处理能够尽量保证在处理过程中移动平台能够在运动过程中以较快的速度行驶，避免急转弯、紧急减速等操作延长行驶时间。

本发明提供了基于三维激光的绕障方法，用于安装在移动平台上的激光发射器发出的三维激光进行绕障处理，包括：以移动平台为坐标原点构建三维坐标系，通过三维激光对移动平台的行进路面进行扫描，确定路面上的障碍物的平面坐标值；确定移动平台相对于路面的比例关系，确定比例系数，根据比例系数对处于平面坐标值上的障碍物进行膨胀处理，得到处理后的坐标值；基于三维激光对障碍物进行预设数量次数的周期扫描，根据周期扫描结果对障碍物出现的概率进行修正，基于修正结果判定障碍物的出现情况；根据障碍物出现情况，对移动平台的行进路径进行规划，获取到规划后的路径，对规划后的路径进行平滑处理；令移动平台按处理后的路径行进，实现绕障操作。通过膨胀处理的方式确定障碍物的边缘位置，确定能够绕开障碍物的最短路径，在获取到的最短路径的基础上进行平滑处理，得到在绕开障碍物基础上同时提高移动平台的运行速度，从而实现准确的绕障行进路径，降低现有技术中其他绕障方案存在曲线，有效减小检测盲区的存在。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于三维激光的绕障方法，用于安装在移动平台上的激光发射器发出的三维激光进行绕障处理，其特征在于，所述绕障方法，包括：

以移动平台为坐标原点构建三维坐标系，通过三维激光确定路面上的障碍物的平面坐标值；

确定移动平台相对于路面的比例关系，确定比例系数，根据比例系数对处于平面坐标值上的障碍物进行膨胀处理，得到处理后的坐标值；

基于三维激光对障碍物进行预设数量次数的周期扫描，根据周期扫描结果对障碍物出现的概率进行修正，基于修正结果判定障碍物出现情况；

根据障碍物出现情况，对移动平台的行进路径进行规划，获取到规划后的路径，对规划后的路径进行平滑处理；

令移动平台按处理后的路径行进，实现绕障操作。

2.根据权利要求1所述的基于三维激光的绕障方法，其特征在于，所述根据障碍物出现情况，对移动平台的行进路径进行规划，获取到规划后的路径，对规划后的路径进行平滑处理，包括：

基于最小二乘法对规划后的路径进行平滑处理，得到平滑处理后的路径；

对平滑处理后的路径进行基于动态窗口的实时处理，得到处理后的路径。

3.根据权利要求2所述的基于三维激光的绕障方法，其特征在于，所述对平滑处理后的路径进行基于动态窗口的实时调整处理，得到处理后的路径，包括：

获取当前移动平台的运动模型，基于运动模型实时获取移动平台的行进参数；

基于行进参数中的方位角、行进空隙、行进速度进行基于归一化的实时处理。

4.根据权利要求1所述的基于三维激光的绕障方法，其特征在于，所述通过三维激光对移动平台的行进路面进行扫描，确定路面上的障碍物的平面坐标值，包括：

当通过三维激光对路面进行扫描发现障碍物后，根据激光发射器相对于标准位置的相对夹角、以及三维激光的往返时间差，确定障碍物相对于移动平台的空间夹角和相对距离；

结合移动平台在三维坐标系中所处的坐标原点，确定障碍物的三维坐标值，删除三维坐标值中的高度坐标值，得到障碍物的平面坐标值。

5.根据权利要求1所述的基于三维激光的绕障方法，其特征在于，所述确定移动平台相对于路面的比例关系，确定比例系数，根据比例系数对处于平面坐标值上的障碍物进行膨胀处理，得到处理后的坐标值，包括：

获取移动平台的实际尺寸，根据路面的实际尺寸，确定移动平台相对于路面的比例系数；

根据比例系数对障碍物的坐标进行膨胀处理，得到膨胀后障碍物尺寸边缘位置的坐标值。

6.根据权利要求1所述的基于三维激光的绕障方法，其特征在于，所述基于三维激光对障碍物进行预设数量次数的周期扫描，根据周期扫描结果对障碍物出现的概率进行修正，基于修正结果判定障碍物的出现情况，包括：

在得到膨胀后尺寸边缘位置的坐标值后，令三维激光进行预设数量次数的周期扫描；

在每次扫描后，结合公式一根据扫描过程中障碍物是否出现对障碍物出现的概率进行修正，

其中，ω₀为障碍物出现的概率初始值，取值为1，k为修正权重，ω_i为修正后的障碍物出现概率，i的取值为正整数；

在周期扫描完成后，如果ω_i的取值大于1，则判定障碍物在移动平台的行进路径上出现；相反则判定障碍物在移动平台的行进路径上不会出现。

7.根据权利要求1所述的基于三维激光的绕障方法，其特征在于，所述根据障碍物出现情况，对移动平台的行进路径进行规划，包括：

对移动平台所处路面进行栅格化处理得到栅格地图，通过A*算法对移动平台所处路面进行全局搜索，确定在栅格地图中获取移动平台与周围物体的相对距离；

从相对距离中选取最短距离，根据最短距离对应的方向确定最短路径，令移动平台沿最短路径行进，实现绕障操作。