CN108759829B - 一种智能叉车的局部避障路径规划方法 - Google Patents

一种智能叉车的局部避障路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能叉车的局部避障路径规划方法，该方法包括：依据导航型激光扫描传感器建立环境全局坐标系；利用测距型激光扫描传感器探测周围环境信息。对所获得的数据进行分析处理，提取出所有特征点。从特征点中选取合适点作为小目标点，以及B样条曲线控制点。生成B样条曲线路径并执行。本发明不会出现到处都是障碍物而无路可走的假象，避障行驶效率高；特征点的提取十分准确，可以在复杂环境中快速规划出对起止点有严格位姿要求的路径，生成的路径也满足车辆运动学要求及车身尺寸约束；且将B样条曲线利用于智能叉车局部避障路径规划，使得规划过程更加简洁、快速，且控制点的选择较为精巧，能够保证所规划路径起止点位姿均符合要求。

Description

一种智能叉车的局部避障路径规划方法
技术领域
本发明涉及智能叉车领域，尤其涉及一种用于智能叉车上的局部避障路径规划方法。
背景技术
为便于管控，减少人员伤亡事故的发生，降低企业经营成本，同时为对接《中国制造2025》国家发展战略规划，叉车技术日新月异，尤其是叉车的智能化；所谓智能叉车，即工作过程中不需要人为操控，能够自主完成堆、取货物，且具有初步人工智能的机动工业车辆。而智能叉车在运行的过程中，势必会遇到一些不可预知的障碍物，受障碍物影响而无法按原先规划好的路径行驶，需要重新规划一条路径以避开障碍物到达目标点。目前国内外对智能叉车局部避障路径规划的研究中出现较多的是BUG算法、人工势场法、仿生法、气泡带技术、曲率速度技术、动态窗口方法等，对障碍物的处理方式多为包围圈或包围盒的方式，这种方式很容易出现到处都是障碍物而无路可走的假象；又或者以沿障碍物边界绕行的方式来避碰，这类方式虽然可以成功避开障碍物，但行驶效率相对较低，且规划所得路径对位姿约束的要求不够严格。
所谓局部避障路径规划是指当智能叉车为到达目标点位置时，行驶过程中遇到未知的障碍物，为避开障碍物而顺利到达目标点，利用传感器获得的环境数据进行的局部路径规划。
因此，现有技术需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于智能叉车上的利用传感器获得的环境数据进行局部路径规划的方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种智能叉车的局部避障路径规划方法，该方法包括以下几个步骤：
步骤S1：依据导航型激光扫描传感器建立环境全局坐标系；利用测距型激光扫描传感器探测周围环境信息。
步骤S2：对所获得的传感器数据进行分析处理，提取出环境中所有特征点。
步骤S3：从所得特征点中选取合适点作为小目标点，以及B样条曲线控制点。
步骤S4：生成B样条曲线路径，并执行。
步骤S5：直至到达最终目标点，否则重复以上步骤S1-S4。
作为一种优选的方案，所述步骤S1具体包括：
在智能叉车工作环境中不对称粘贴反光标贴，利用导航型激光扫描传感器扫描环境建立笛卡尔全局坐标系，之后以导航型激光扫描传感器获得的当前全局位置信息和车身尺寸参数以及各传感器之间的位置关系，推算出各传感器当前位置点的全局坐标，再将测距型激光扫描传感器所获得的周围物体相对坐标转换成全局坐标。
进一步地，所述导航型激光扫描传感器安装在叉车顶端中间位置，且到四个轮子的距离相等；传感器坐标轴横轴正向为叉车前进方向，待建立全局坐标系后，此方向与全局坐标系横轴正向的夹角即为车身方向角；而所述测距型激光扫描传感器安装在叉车前头中间位置，扫描范围根据需要而定，一般设置为0度到180度，所得极坐标数据结果需要结合所设置的传感器角度分辨率及各数据的获得顺序进行转换。
作为一种优选的方案，所述步骤S2具体包括：
首先，将获得的数据第一个点标记为特征点，以这个特征点为基础，选出连续的数个点，过第一个点和最后一个点做直线，判断中间其余点到该直线的距离是否小于设定的某阈值，如果是则在已选出点的基础上按顺序添加一个点后重复上述步骤，直到出现有一点大于该阈值时，将此次加入的点标为特征点，再以此特征点为基础开始新的循环，直到所有数据分析处理完为止。
作为一种优选的方案，所述步骤S3具体包括：
从步骤S2所获得的所有特征点中，选出距离当前位置点与最终目标点连线的距离小于某阈值的所有合要求特征点；再一一以这些特征点为圆心，大于半个车宽的某一长度值为半径作圆，再过当前位置点分别作该圆的切线，每个圆可获得两个切点。
进一步地，分别以所获得的切点为圆心，大于半个车宽的某一长度值为半径作圆，再判断圆中是否存在较多原始数据点，若是则剔除该切点，否则保留该切点。
进一步地，从剩余切点中选出距离当前位置点最近的点为小目标点，亦即是B样条曲线的倒数第一个控制点，并在该切点切线方向上距离小目标点很近且靠近起始点一侧选取一点作为倒数第二个控制点；同时将叉车当前位置点作为第一个控制点，即路径起始点；在叉车当前前进方向上选取一个相距起始点很近的点作为第二个控制点。最后，可选取第二个控制点与倒数第二个控制点间的中间点为新的一个控制点，或者也可以根据需要选择此两点间的其他点作为新控制点。
作为一种优选的方案，所述步骤S4具体包括：
利用步骤S3所获得的控制点，结合B样条曲线生成方式实现局部路径规矩，并将结果传给路径跟踪算法执行。
进一步地，由于叉车局部避障过程为低速行驶，为保证行驶过程车轮转向角转度连续和降低程序计算量，所述B样条曲线一般选择4阶次形式；而n次B样条曲线的基函数如下：
Figure BDA0001610865610000031
式中
Figure BDA0001610865610000032
且B样条曲线的表达式：
Figure BDA0001610865610000033
式中u∈[0,1]，i＝1,2,···,m；
其中，n表示样条曲线的阶次，m表示曲线由m段样条曲线平滑连接而成，i表示第i段B样条曲线，Pi+k表示第i段B样条曲线的第k个控制点。
进一步地，所述控制点的选取总数必须大于所选B样条曲线的阶次；通过所选定的B样条曲线阶次计算相应的基函数，再结合选定的控制点以及B样条曲线的表达式，即可获得所规划路径的各段样条曲线的函数。
作为一种优选的方案，所述步骤S5具体包括：
当能够直达最终目标点，即已经绕过障碍物但还没到达最终目标点时，直接以最终目标点替代上述步骤中的小目标点，重复步骤S3、S4到达最终目标点，并且位姿符合要求为止；否则重复上述步骤S2、S3、S4。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
(1)本发明所提供的智能叉车的局部避障路径规划方法不会出现到处都是障碍物而无路可走的假象，不会陷入局部陷阱，避障行驶效率高。
(2)本发明所提供的智能叉车的局部避障路径规划方法采用中特征点的提取十分准确，可以在较复杂环境中快速规划出满足对起止点有严格位姿要求的路径，生成的路径也满足车辆运动学要求及车身尺寸约束。
(3)本发明所提供的智能叉车的局部避障路径规划方法将B样条曲线利用于智能叉车局部避障路径规划，使得规划过程更加简洁、快速，仅需要选择合适的控制点即可，且控制点的选择较为精巧，能够保证所规划路径起止点位姿均符合要求。
附图说明
图1是本发明所提供的智能叉车的局部避障路径规划方法的使用场景示意图；
图2是本发明所提供的智能叉车的局部避障路径规划方法的工作流程图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1和图2所示，本发明公开了一种当智能叉车为到达目标点位置时，行驶过程中遇到未知的障碍物，为避开障碍物而顺利到达对位姿有严格要求的目标点，利用传感器获得的环境数据进行的局部路径规划方法。该方法主要包括以下几个步骤：
(1)依据导航型激光扫描传感器建立环境全局坐标系；利用测距型激光扫描传感器探测周围环境信息。
(2)对所获得的传感器数据进行分析处理，提取出环境中所有特征点。
(3)从所得特征点中选取合适点作为小目标点，以及B样条曲线控制点。
(4)生成B样条曲线路径，并执行。
(5)直至到达最终目标点，否则重复以上步骤。
所述(1)步骤具体包括：在智能叉车工作环境中不对称粘贴反光标贴，利用SICK—NAV350导航型激光扫描传感器扫描环境建立笛卡尔全局坐标系XOY，之后以SICK—NAV350导航型激光扫描传感器获得的当前全局位置信息和车身尺寸参数以及各传感器之间的位置关系，推算出各传感器当前位置点的全局坐标，再将SICK—LMS111测距型激光扫描传感器所获得的周围物体相对坐标转换成全局坐标。
所述导航型激光扫描传感器S安装在叉车顶端中间位置，且到四个轮子的距离相等，平面投影位置可见图1，图中的黑体多边形为障碍物；传感器坐标轴横轴x正向为叉车前进方向，待建立全局坐标系XOY后，此x方向与全局坐标系横轴X正向的夹角即为车身方向角；而所述测距型激光扫描传感器S1安装在叉车前头中间位置，扫描范围根据需要而定，一般设置为0度到180度，所得极坐标数据结果需要结合所设置的传感器角度分辨率及各数据的获得顺序进行转换。
所述传感器S全局坐标为(xs，ys，θs)，传感器S1全局坐标为(xs1，ys1，θs1)，结合以上描述易知，存在
θs＝θs1；
xs1＝xs+SS1*COSθs；
ys1＝ys+SS1*SINθs；
所述(2)步骤具体包括：首先，将获得的数据第一个点标记为特征点，以这个特征点为基础，选出连续的数个点，过第一个点和最后一个点做直线，判断中间其余点到该直线的距离是否小于设定的某阈值，如果是则在已选出点的基础上按顺序添加一个点后重复上述步骤，直到出现有一点大于该阈值时，将此次加入的点标为特征点，再以此特征点为基础开始新的循环，直到所有数据分析处理完为止。
所述(3)步骤具体包括：从步骤(2)所获得的所有特征点中，选出距离当前位置点与最终目标点连线的距离小于某阈值的所有合要求特征点；再一一以这些特征点为圆心，大于半个车宽的某一长度值为半径作圆，再过当前位置点分别作该圆的切线，每个圆可获得两个切点。
进一步地，分别以所获得的切点为圆心，大于半个车宽的某一长度值为半径作圆，再判断圆中是否存在较多原始数据点，若是则剔除该切点，否则保留该切点。
进一步地，从剩余切点中选出距离当前位置点最近的点为小目标点，亦即是B样条曲线的倒数第一个控制点，并在该切点切线方向上距离小目标点很近且靠近起始点一侧选取一点作为倒数第二个控制点；同时将叉车当前位置点作为第一个控制点，即路径起始点；在叉车当前前进方向上选取一个相距起始点很近的点作为第二个控制点。最后，可选取第二个控制点与倒数第二个控制点间的中间点为新的一个控制点，或者也可以根据需要选择此两点间的其他点作为新控制点。
所述过平面两点Q1(x1,y1)和点Q2(x2,y2)直线方程式为：
y(x2-x1)-x(y2-y1)+x1y2-x2y1＝0
点Q0(x0,y0)到该直线的距离为：
Figure BDA0001610865610000061
所述(4)步骤具体包括：利用步骤(3)所获得的控制点，结合B样条曲线生成方式实现局部路径规矩，并将结果传给路径跟踪算法执行。
进一步地，由于叉车局部避障过程为低速行驶，为保证行驶过程车轮转向角转度连续和降低程序计算量，所述B样条曲线一般选择4阶次形式；相应基函数如下：
Figure BDA0001610865610000062
Figure BDA0001610865610000063
Figure BDA0001610865610000064
Figure BDA0001610865610000065
Figure BDA0001610865610000066
且B样条曲线的表达式：
Figure BDA0001610865610000067
其中，n表示样条曲线的阶次，m表示曲线由m段样条曲线平滑连接而成，i表示第i段B样条曲线，Pi+k表示第i段B样条曲线的第k个控制点，k＝0,1,2,···,n；u∈[0,1]i＝1,2,···,m。
进一步地，所述控制点的选取总数必须大于所选B样条曲线的阶次；通过所选定的B样条曲线阶次计算相应的基函数，再结合选定的控制点以及B样条曲线的表达式，即可获得所规划路径的各段样条曲线的函数。
所述(5)步骤具体包括：当能够直达最终目标点P，即已经绕过障碍物但还没到达最终目标点P时，直接以最终目标点替代上述步骤中的小目标点，重复步骤(3)、(4)到达最终目标点，并且位姿符合要求为止；否则重复上述(2)、(3)、(4)步骤。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能叉车的局部避障路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：依据导航型激光扫描传感器建立环境全局坐标系；利用测距型激光扫描传感器探测周围环境信息；
步骤S2：对所获得的传感器数据进行分析处理，提取出环境中所有特征点；
步骤S3：从所得特征点中选取合适点作为小目标点，以及B样条曲线控制点；
所述步骤S3具体包括：
从步骤S2所获得的所有特征点中，选出距离当前位置点与最终目标点连线的距离小于某阈值的所有合要求特征点；然后逐个以这些特征点为圆心，大于半个车宽的某一长度值为半径作圆，再过当前位置点分别作该圆的切线，每个圆获得两个切点；然后分别以所获得的切点为圆心，大于半个车宽的某一长度值为半径作圆，再判断圆中是否存在较多原始数据点，若是则剔除该切点，否则保留该切点；
步骤S4：生成B样条曲线路径，并执行；
步骤S5：直至到达最终目标点，否则依次重复步骤S1至S4。
2.根据权利要求1所述的智能叉车的局部避障路径规划方法，其特征在于，所述步骤S1中具体包括如下操作：
在智能叉车工作环境中不对称地粘贴反光标贴，利用导航型激光扫描传感器扫描环境建立笛卡尔全局坐标系，之后以导航型激光扫描传感器获得的当前全局位置信息和车身尺寸参数以及各传感器之间的位置关系，推算出各传感器当前位置点的全局坐标，再将测距型激光扫描传感器所获得的周围物体相对坐标转换成全局坐标。
3.根据权利要求1或2所述的智能叉车的局部避障路径规划方法，其特征在于，所述导航型激光扫描传感器安装在叉车顶端中间位置，且到四个轮子的距离相等；传感器坐标轴横轴正向为叉车前进方向，待建立全局坐标系后，此方向与全局坐标系横轴正向的夹角即为车身方向角；而所述测距型激光扫描传感器安装在叉车前头中间位置，扫描范围根据需要而定，设置为0度到180度，所得极坐标数据结果需要结合所设置的传感器角度分辨率及各数据的获得顺序进行转换。
4.根据权利要求1所述的智能叉车的局部避障路径规划方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
首先，将获得的数据第一个点标记为特征点，以这个特征点为基础，选出连续的数个点，过第一个点和最后一个点做直线，判断中间其余点到该直线的距离是否小于设定的某阈值，如果是则在已选出点的基础上按顺序添加一个点后重复上述步骤，直到出现有一点大于该阈值时，将此次加入的点标为特征点，再以此特征点为基础开始新的循环，直到所有数据分析处理完为止。
5.根据权利要求1或4所述的智能叉车的局部避障路径规划方法，其特征在于，从剩余切点中选出距离当前位置点最近的点为小目标点，并设为B样条曲线的倒数第一个控制点，在该切点切线方向上距离小目标点很近且靠近起始点一侧选取一点作为倒数第二个控制点；同时将叉车当前位置点作为第一个控制点，即路径起始点；在叉车当前前进方向上选取一个相距起始点很近的点作为第二个控制点；最后，选取第二个控制点与倒数第二个控制点间的中间点为新的一个控制点，或者根据需要选择此两点间的其他点作为新控制点。
6.根据权利要求1所述的智能叉车的局部避障路径规划方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
利用步骤S3所获得的控制点，结合B样条曲线生成方式实现局部路径规划，并将结果传给路径跟踪算法执行，且B样条曲线选择4阶次形式。
7.根据权利要求1、6中任一项所述的智能叉车的局部避障路径规划方法，其特征在于，所述控制点的选取总数必须大于所选B样条曲线的阶次；通过所选定的B样条曲线阶次计算相应的基函数，再结合选定的控制点以及B样条曲线的表达式，即获得所规划路径的各段样条曲线的函数。
8.根据权利要求1所述的智能叉车的局部避障路径规划方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：当能够直达最终目标点时，即已经绕过障碍物但还没到达最终目标点时，直接以最终目标点替代上述步骤中的小目标点，重复步骤S3和S4到达最终目标点，并且位姿符合要求为止；否则重复上述步骤S2、S3和S4。
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