一种基于三维栅格地图的环境特征的相似性度量方法技术

本发明专利技术是一种基于三维栅格地图的环境特征的相似性度量方法，对于已经建好的三维栅格地图，针对三维栅格地图中的障碍物及其周边空白环境，进行特征分析与建模，相似的环境具有相似的环境特征，本发明专利技术提出了一种环境特征的相似性度量方法，做为环境特征识别的基础。本方法可以应用于机器人的环境识别、机器人的路径规划与自主运动，为机器人在实际环境中的游戏应用、机器人清洁等方面提供支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维栅格地图的环境特征的相似性度量方法
本专利技术涉及人工智能、模式识别与Fourier变换、Walsh变换等离散正交变换技术，特别是机器人对复杂环境的三维环境建模与识别的方法，应用于机器人的环境识别与自主运动方面。
技术介绍
随着近些年工业机器人的发展，带动了服务机器人行业的逐渐掘起，同时从2014年开始的智能硬件领域也开始突起，根据国际机器人联盟的统计，2015年服务机器人销售额将达85亿美元，并且保持较高的20％～30％增长率，在智能硬件领域，据艾瑞研究，2014年全球智能硬件装机量达到60亿台，预计2017年将超过140亿台。在市场高速发展的背后，问题同样明显，一方面市场的潜力还远未挖掘出来，另一方面，机器人及智能硬件进入服务行业也存在着一些技术难点，特别是三维环境的特征建模与识别技术，例如机器人进入实际的家庭环境中，进行环境识别与安全性地自主移动等，目前来看都还有一定的技术难点。专利技术目的本专利技术的主要目的就是解决基于三维栅格地图的环境建模后的环境相似性判断及相似程度度量，它提供一种方法，辅助环境识别，为其他实际应用提供技术支撑。可以但不限于应用在面向家庭的机器人游戏及机器人清洁方面。技术方案本专利技术的目的是这样实现的：通过相关设备及算法，例如三维激光雷达等，已经获取了实际环境的三维栅格地图信息，并在栅格地图中做了环境特征建模，其包括以下步骤：(1)在环境特征建模时，考虑到计算的方便，我们设定一个影响距离σ，即障碍物体元对周边体元的影响范围，σ可以是但不限于欧氏距离、曼哈顿(Manhattan)距离等。同时也为了计算方便，把体元x的所受影响都平均离散到体元x的八个偏航面上[δ0，δπ/4，δπ/2，δ3π/4，δπ，δ5π/4，δ3π/2，δ7π/4]，再把每个偏航面δi内的影响分量都离散到偏航面δi内的八个俯仰角上[η0，ηπ/12，ηπ/4，η5π/12，η7π/12，η3π/4，η11π/12，ηπ]，形成体元x的所受影响矩阵f(x)，并且计算体元x的所受影响矩阵f(x)的特征矩阵与特征谱，这里给出两种特征矩阵及特征谱的计算方法，(2)在环境特征建模时，把每个空闲体元的影响矩阵的每个元素初始化为0，逐个分析每个障碍物体元对σ距离内的所有体元的影响，例如，在分析的过程中，障碍物体元ξ相对体元x的偏航角度为θ，俯仰角度为β，距离为d，d≤σ，则障碍物体元ξ对体元x的影响函数可以是但不限于f(xβ，θ，d)＝1/d，如果θ恰好在体元x的某一偏航面上，则直接在这个偏航面上叠加即可，如果θ在某两个偏航面之间，例如θ∈(π/4，π/2)，则按照向量分解，把f(xβ，θ，d)分解投影到偏航面δπ/4上的向量fa与偏航面δπ/2上的向量fb(两个投影向量fa与fb同Z轴夹角相等，且与f(xβ，θ，d)共面)，按同样的向量分解方法再分别把向量fa与fb分解投影到各偏航面内的相邻两个俯仰角方向上，当对所有的障碍物体元分析完成后，每一个体元的影响矩阵已经计算完成，并存储在栅格中，记为：(3)在环境特征建模时，考虑到计算的方便，我们求取f(x)的特征矩阵F(x)，并存储在体元中：方法一、通过二维Fourier变换求取F(x)，令变换算子根据快速二维Fourier变换计算得，方法二，通过Walsh变换求取F(x)，令变换算子根据快速二维WalshHadama变换算得，上述公式中的8x8矩阵，是8维的WalshHadama变换矩阵，不同的维数，所对应的WalshHadama变换矩阵是不相同的，其中：(4)在环境特征建模时，考虑到计算的方便，我们求取特征矩阵F(x)的特征谱P(x)，并存储在栅格中：方法一、根据快速二维Fourier变换求出的特征矩阵F(x)，我们有，通过求模运算，特征谱元素P(x)[i][j]：|F(x)[i][j]|＝|Fi+1，j+1|，i，j∈[0，7]方法二、根据快速二维WalshHadama变换求出的特征矩阵F(x)，我们有，(5)在环境特征相似性度量系统中，我们设定阈值degreethreshold，另一个环境体元y的影响矩阵根据以上步骤使用二维WalshHadama变换方法，求取对应的特征谱P(y)，并比对相应的特征谱，记向量P(x)与向量P(y)之间的夹角为∠(P(x)，P(y))≤degreethreshold，计算如果cos∠(P(x)，P(y))≥cos(degreethreshold)，就表示体元x与目标体元y在实际环境中是相似的，(6)在环境特征相似性度量系统中，对两个相似的环境体元x与环境体元y，如果：考虑到i∈[1，n]，λi有等于零的情况，我们取令，则我们定义环境体元x到环境体元y的相似比为λ(7)在环境特征相似性度量系统中，按照上一步骤中的相似比进行归一化，令对两个相似的环境体元x与环境体元y，根据它们的特征矩阵F(x)与F(y)来考察其平移不变性、旋转不变性与镜像对称性，方法一、根据快速Fourier变换，令当时p＝1则F(x)与F(y)有垂直镜像的关系；q＝1则F(x)与F(y)有水平镜像的关系；u＞0则F(x)与F(y)有循环上移——平移的关系；l＞0则F(x)与F(y)有循环左移——平移的关系；当时p＝1，q＝0则F(x)与F(y)有左旋π/2的关系；p＝0，q＝1则F(x)与F(y)有右旋π/2的关系；方法二、根据快速二维WalshHadama变换，令：D＝diag(1，-1，-1，1，-1，1，1，-1)当时p＝1则F(x)与F(y)有垂直镜像的关系；q＝1则F(x)与F(y)有水平镜像的关系；u＞0则F(x)与F(y)有循环上移——平移的关系；l＞0则F(x)与F(y)有循环左移——平移的关系；当时p＝1，q＝0则F(x)与F(y)有左旋π/2的关系；p＝0，q＝1则F(x)与F(y)有右旋π/2的关系：(8)经过环境特征相似性度量系统，我们能成功的度量出相似环境的相似比、平移性、旋转性、对称性。本专利技术所使用的系统组成如下：相似性判断系统、相似比度量系统、不变性度量系统。这三个系统是按照功能设置的软件系统，各子系统具体功能如下：*相似性判断系统：在已建模后的栅格地图上，分析比对特征谱向量，判断环境栅格的相似性，*相似比度量系统：对相似的环境计算其相似比，*不变性度量系统：对相似的环境计算其旋转性、平移性、对称性。附图说明：图1是本专利技术方法所用系统组成图图2(a)是三维栅格地图，(b)是体元的影响向量及分解方法，(c)是偏航面分解示意图图3(a)是体元的偏航面与俯仰角的离散化，(b)是离散化后的矩阵图4是一扇门的示意图图5是旋转不变性与镜像对称性示意图具体实施方式下面结合附图，说明本专利技术的实施方式。本专利技术方法所用的系统整体结构可参考图1，它有三个子系统组成，具体包含如下步骤：第一步首先，相似性判断系统，定义距离为欧氏距离，设定影响距离σ＝4，即障碍物体元只影响周边距离4以内的体元，如图2(a)是环境的三维栅格地图，图2(b)障碍物体元的影响向量及分解方法：f(xβ，θ，d)＝f1+f2＝f1+f3+f4(f3与f4是f2在两个相邻偏航面上的分量)＝f′3+f′4+f3+f4(f1按f3与f4的模长比例分解成f′3与f′4)＝(f′3+f本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三维栅格地图的环境特征的相似性度量方法，该方法是通过比对两个相似环境的特征矩阵，以确定两个相似环境的关系，或者镜像对称——称之为镜像对称性，或者循环移位——称之为平移不变性，或者旋转对称——称之为旋转不变性，该方法中的三维栅格地图如下定义：将环境空间抽象为三维直角坐标系O：xyz下的栅格空间，空间的全集为Ω，Ω内的每个元素称为体元，用cx，y，z表示，(x，y，z)即为该体元的三维坐标，每个体元是一个边长为μ的正方体，正方体的每条边都与空间坐标轴平行，根据实际环境有无物体占据，来确定或概率意义上确定相应体元的占空值，基于此形成的地图称为三维栅格地图，μ称为三维栅格地图的分辨率。本方法中的环境建模及特征量、相似性、相似比、镜像对称性、平移不变性、旋转不变性按如下步骤给出：(1)通过相关的设备及算法，如三维激光雷达、双目视觉传感器及其他算法等，建立与实际环境对应的三维栅格地图，(2)在棚格地图上逐个分析每个障碍物体元对周边空闲体元的影响，如下所示：障碍物体元对体元x的影响记作f(xβ，0，d)，β∈[0，π]表示障碍物体元相对体元x的俯仰角(三维栅格地图的Z轴方向做为0度起始方向)，θ∈[0，2π)表示障碍物体元相对体元x的偏航角(三维栅格地图的X轴方向做为0度起始方向)，d表示障碍物体元相对体元x的距离，按照β，θ的递增顺序，体元x所受的影响记为：(3)f(x)的离散化。首先，对体元x所受的影响按角度θ离散到有限的偏航面内[δ1，δ2，...，δs]，s∈N，每个偏航面δ表示一个以体元x所在的Z轴方向为边界的半平面，其次，在每个偏航面δ内，按角度β离散到有限的俯仰角上[η1，η2，...，ηn]，n∈N，例如：某障碍物体元对体元x的影响当δi≤θk≤δi+1，i∈[1，s‑1]，k∈[1，s]，则把按向量分解投影到偏航面δi与偏航面δi+1上，然后再分别把偏航面δi与偏航面δi+1内的分量，分别按向量分解投影到ηj与ηj+1两个俯仰角上，离散化后，(4)根据体元x的所受影响f(x)，提炼出其特征矩阵F(x)，是一种变换，可以是但不限于二维Fourier变换、二维Walsh变换等，(5)根据体元x的特征矩阵F(x)，计算出其特征谱P(x)，针对上一步骤中的变换，其特征谱分别是相应变换的功率谱，特征谱即为体元的环境特征。(6)特征谱比对，体元x的影响矩阵f(x)对应的特征谱为P(x)，体元y的影响矩阵f(y)对应的特征谱为P(y)，我们定义一阈值角度degreethreshold，若向量P(x)与向量P(y)之间的夹角∠(P(x)，P(y))≤degreethreshold，或者cos∠(P(x)，P(y))≥cos(degreethreshold)，就表示矩阵f(x)与f(y)是相似的，也就是体元x与体元y在实际环境中是相似的，利用向量运算法则，我们可以计算：与cos(degreethreshold)比较后，我们既可得出相似性，相似的向量P(x)与向量P(y)是同向的，他们之间的转化因子即为相似比，(7)环境的不变性，对于n×s阶矩阵f(x)，考察f(y)所表示的实际环境，都归一化之后，如果：f(y)[i][j]＝f(x)[(i+u)％n][(j+l)％s]对j∈[0，s‑1]，l∈N使得等式成立，则称环境f(x)与f(y)具有平移不变性：如果矩阵f(y)[i][j]＝f(x)[j][s‑1‑i]对j∈[0，n‑1]使得等式成立，则称环境f(x)左旋之后等同f(y)，称它们具有旋转不变性；如果矩阵f(y)[i][j]＝f(x)[n‑1‑j][i]对j∈[0，n‑1]使得等式成立，则称环境f(x)右旋之后等同f(y)，称它们具有旋转不变性；如果f(y)[i][j]=f(x)[i][s-1-j]f(y)[i][j]=f(x)[n-1-i][j]f(y)[i][j]=f(x)[n-1-i][s-1-j],]]>对j∈[0，s‑1]使得三个等式中有一个成立，则称环境f(x)与f(y)具有镜像对称性；通过特征矩阵F(x)与F(y)的计算，即可确定其镜像对称性、平移不变性及旋转不变性。(8)对实际环境，通过特征矩阵与特征谱计算，我们即可找出实际环境体元x与体元y的相似性与相似比，以及镜像对称性、平移不变性、旋转不变性，这样就达到了环境特征相似性度量的目的。...

【技术特征摘要】
1.一种基于三维栅格地图的环境特征的相似性度量方法，该方法是通过比对两个相似环境的特征矩阵，以确定两个相似环境的关系，或者镜像对称——称之为镜像对称性，或者循环移位——称之为平移不变性，或者旋转对称——称之为旋转不变性，该方法中的三维栅格地图如下定义：将环境空间抽象为三维直角坐标系O：xyz下的栅格空间，空间的全集为Ω，Ω内的每个元素称为体元，用cx，y，z表示，(x，y，z)即为该体元的三维坐标，每个体元是一个边长为μ的正方体，正方体的每条边都与空间坐标轴平行，根据实际环境有无物体占据，来确定或概率意义上确定相应体元的占空值，基于此形成的地图称为三维栅格地图，μ称为三维栅格地图的分辨率；本方法中的环境建模及特征量、相似性、相似比、镜像对称性、平移不变性、旋转不变性按如下步骤给出：(1)通过相关的设备及算法，建立与实际环境对应的三维栅格地图，这里的设备包括三维激光雷达或双目视觉传感器；(2)在栅格地图上逐个分析每个障碍物体元对周边空闲体元的影响，如下所示：障碍物体元对体元x的影响记作f(xβ，θ，d)，β∈[0，π]表示障碍物体元相对体元x的俯仰角，选取三维栅格地图的Z轴方向做为俯仰角0度起始方向，θ∈[0，2π)表示障碍物体元相对体元x的偏航角，选取三维栅格地图的X轴方向做为偏航角0度起始方向，d表示障碍物体元相对体元x的距离，按照β，θ的递增顺序，体元x所受的影响记为：(3)f(x)的离散化：首先，对体元x所受的影响按角度θ离散到有限的偏航面内[δ1，δ2，...，δs]，s∈N，每个偏航面δ表示一个以体元x所在的Z轴方向为边界的半平面，其次，在每个偏航面δ内，按角度β离散到有限的俯仰角上[η1，η2，...，ηn]，n∈N，方法如下：某障碍物体元对体元x的影响当δi≤θk≤δi+1，i∈[1，s-1]，k∈[1，s]，则把按向量分解投影到偏航面δi与偏航面δi+1上，然后再分别把偏航面δi与偏航面δi+1内的分量，分别按向量分解投影到ηj与ηj+1两个俯仰角上，离散化后，(4)根据体元x的所受影响f(x)，提炼出其特征矩阵F(x)，是一种变换，这里的变换使用二维Fourier变换或二维Walsh变换；(5)根据体元x的特征矩阵F(x)，计算出其特征谱P(x)，针对上一步骤中的变换，其特征谱分别是相应变换的功率谱，特征谱即为体元的环境特征；(6)特征谱比对：体元x的影响矩阵f(x)对应的特征谱为P(x)，体元y的影...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红军，
申请(专利权)人：王红军，
类型：发明
国别省市：广东;44