一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法，它包括以下步骤：选择一维Chebychev映射作为混沌动力学方程，并利用反正弦变换对其混沌特性和均匀特性进行改善；用两个经过反正弦改进后的一维Chebychev映射方程构造出一个二维混沌路径规划器；将机器人的巡逻区域进行分解，划分为可遍历子区域和障碍区域；建立过渡子区域并设计过渡算法；将巡逻区域内的可遍历子区域连接起来形成遍历顺序图；按照遍历顺序图和过渡算法，设计巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法，用于完成巡逻任务。本发明专利技术算法简单，重复率低、覆盖高率高，在保证巡逻区域全覆盖的同时，还能够满足巡逻任务随机性、不可预测性的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法
本专利技术涉及一种移动机器人路径规划方法，具体地说是一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法，属于机器人路径规划

技术介绍
机器人是智慧城市的重要组成部分。除了扫地机器人、陪伴机器人等个人应用类的机器人，安防、救援、医疗、物流配送等类型的公共服务机器人将直接参与到智慧城市的管理和运行。其中，安防机器人以巡逻机器人为代表，展现出极大的发展潜力及空间。巡逻机器人现已应用于智能工厂、仓库等室内室外条件，在无人或少人的场景下使用，辅助以及部分替代人类完成重复性强、危险性高、人力难以实现的安防巡逻工作。目前国内已有的巡逻机器人可在室外环境下沿预先铺设的磁标识进行规划路径，按预定路线巡视。范创伟的专利技术专利“机器人巡逻路径控制方法”(专利号：ZL201010189875.2)，和张军等的专利技术专利“一种夜间巡逻机器人自动循迹方法”(专利号：ZL201510312932.4)，都采用的是这种通过在巡逻路径上铺设磁导标循迹进行路径规划的方法。但它们均存在以下问题：(1)巡检线路单一，巡检不灵活，功能单一；(2)不具备自主规划路径的能力，与代替人工巡逻的目标相差较远。巡逻机器人所规划路径要求能够监测整个巡逻区域，遍历每个巡逻轨迹点，实现快速扫描，保证及时发现资源、爆炸物、入侵者或入侵设备等；在外部观察者看来，路径是随机、高度不可预测的，这样具有保密性，可以不被入侵者(或入侵物)所预测、发现或逃逸。针对这类任务，大都采用随机规划的方法。但随机方法规划效率低，不能保证全覆盖遍历，也不能人为进行控制。近年来，国内外专家逐渐利用外部呈现随机性而内部具有确定性的混沌信号来代替随机信号进行特殊环境下的全覆盖遍历任务研究，以求取得更好的特性。混沌系统的主要特性是拓扑遍历性和对初始条件的敏感依赖性。拓扑遍历性能够保证整个运行区域的彻底扫描，而对初始条件的敏感依赖性，意味着系统初始状态的微小变化，就将产生一条完全不同的混沌路径，能够产生所希望的不可预测的规划路径。混沌系统还具有确定性，这意味着机器人的行为可以被系统的设计者提前预测。这对于机器人位置的精准定位非常关键。目前在这方面的研究工作很少，主要集中在选用一个可行的混沌系统方程，来完成特殊任务下的全覆盖遍历规划任务。设计方法是将混沌动力学方程中的一个或两个变量，映射到移动机器人运动学方程中，控制机器人的转向或位移，从而产生混沌规划行为，完成特殊任务下的遍历覆盖。所规划遍历路径能够满足执行巡逻等特殊任务的要求，但执行效率低，在有障碍物环境里大都采用镜面映射的避障方法，改变了系统的混沌特性，不利于特殊任务的要求。针对以上方法所存在的问题，以及巡逻机器人执行巡逻、监测等任务所要求的实时高效、全覆盖遍历、不可预测等巡逻路径的要求，因此，设计一种切实可行、效率高、易于工程实现的巡逻机器人路径规划方法，达到类似人类巡逻的效果，具有重要的理论研究意义和社会、军事应用价值。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法，不仅能够简化巡逻任务、实现工作区域内的全覆盖遍历、提高规划效率、实现自主避障，而且能够满足执行巡逻任务时所需的规划路径随机性、不可预测性等特殊要求，实现工作区域内的巡逻任务。本专利技术解决其技术问题采取的技术方案是：一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法，它包括以下步骤：步骤一：选择一维Chebychev(切比雪夫)映射作为混沌动力学方程，并利用反正弦变换对其混沌特性和均匀特性进行改善；步骤二：用两个经过反正弦改进后的一维Chebychev映射方程构造出一个二维混沌路径规划器，用于产生巡逻机器人全覆盖遍历规划路径的轨迹点；步骤三：将机器人的巡逻区域进行分解，划分为可遍历子区域和障碍区域；步骤四：建立过渡子区域并设计过渡算法，用于实现相邻可遍历子区域的过渡；步骤五：将巡逻区域内的可遍历子区域连接起来形成遍历顺序图；步骤六：按照遍历顺序图和过渡算法，设计巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法，用于完成巡逻任务。进一步地，在步骤一中，Chebychev映射是一种形式简单的映射方程，具有k阶的Chebychev映射，可表示为：xn＝f(xn-1)＝cos(k·arccos(xn-1))(1)式中，k是系统的阶数，n是迭代次数；参数k的取值决定系统是否处于混沌状态，控制参数k从0变化到6，Chebychev映射从有序变为无序直至混沌；当k取大于等于2的整数时，系统进入混沌状态，在运行区间内任意给定一个初始值x0，由公式(1)产生的迭代轨迹xn，随着k的增加，逐渐充满整个运行空间，使系统进入满映射状态,轨迹xn∈[-1,1]，是有界的；为了使机器人能够迅速遍历工作空间，混沌方程应该具有很好的均匀性；而Chebychev映射产生的迭代轨迹xn在运行区间内的分布不均匀，呈现两头大中间小的现象，即中间轨迹分布稀疏，两头稠密；利用公式(2)所示的反正弦变换函数对公式(1)产生的迭代轨迹xn进行改进：改进后的迭代轨迹在运行区间内分布均匀，可以提高巡逻机器人的覆盖率和工作效率。进一步地，Lyapunov指数是衡量系统混沌状态的一个重要参数，如果最大Lyapunov指数λ＞0，则系统处于混沌状态，λ越大，系统的混沌性能越好，从而系统的随机性、不可预测性越好；计算λ的公式为：当k＝6时，由公式(3)计算得λ＝1.7918，经过公式(2)改进后，λ＝3.2147。λ得到了显著提高，因此增加了系统的混沌性能，从而提高了系统的随机特性，有利于机器人巡逻任务所要求的随机性、不可预测性等特殊性能。进一步地，在步骤二中，巡逻机器人全覆盖遍历规划路径的轨迹点为(xn,yn)，取k＝6时的满映射混沌状态为：公式(4)中(xn,yn)的运行范围是[-1～1,-1～1]的矩形空间；利用仿射变换将其映射到机器人的任意大小矩形运行空间为：其中[abcd]是仿射变换系数；则所构造的混沌路径规划器为：给定一个无障碍物的巡逻机器人的工作空间，根据公式(4)和公式(5)计算出工作空间的仿射变换参数[abcd]，然后在运行区间内任意给定一个初始值(x0,y0)，根据公式(6)依次计算出机器人在该区域内的每个巡逻轨迹点(xn,yn)，将相邻轨迹点连接起来，形成了巡逻机器人的移动轨迹。所构造的混沌路径规划器对初始值具有敏感特性，只要稍有差异，就能产生完全不同的迭代轨迹。对初始值的敏感特性，使巡逻机器人产生的移动轨迹具有随机性、不可预测性，能够满足巡逻任务的特殊要求。进一步地，在步骤三中，将机器人所要巡逻的工作区域进行分解，划分为可遍历子区域和障碍区域。将可遍历子区域依次遍历完成，则巡逻机器人就完成了一次巡逻任务。利用平行分割线，从左到右、再从上到下(或从右到左、再从下到上)沿障碍物边缘，依次向两边划分，碰到工作边界停止一次分割，直到所有的障碍物边缘区域分割完成为止；分割完成后，由分割线和机器人工作区域边界交叉形成障碍物子区域和无障碍物的栅格子区域Sx；将相邻分割线和工作边界之间(任选一个合并方向，从上到下、或从下到上、或从左到右，或从右到左)的所有栅格区域分别合并成一个可遍历子区域SI_x，以减少区间转换次数，提高过渡效率。进一步地，在步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：选择一维Chebychev映射作为混沌动力学方程，并利用反正弦变换对其混沌特性和均匀特性进行改善；步骤二：用两个经过反正弦改进后的一维Chebychev映射方程构造出一个二维混沌路径规划器，用于产生巡逻机器人全覆盖遍历规划路径的轨迹点；步骤三：将机器人的巡逻区域进行分解，划分为可遍历子区域和障碍区域；步骤四：建立过渡子区域并设计过渡算法，用于实现相邻可遍历子区域的过渡；步骤五：将巡逻区域内的可遍历子区域连接起来形成遍历顺序图；步骤六：按照遍历顺序图和过渡算法，设计巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法，用于完成巡逻任务。

【技术特征摘要】
1.一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：选择一维Chebychev映射作为混沌动力学方程，并利用反正弦变换对其混沌特性和均匀特性进行改善；步骤二：用两个经过反正弦改进后的一维Chebychev映射方程构造出一个二维混沌路径规划器，用于产生巡逻机器人全覆盖遍历规划路径的轨迹点；步骤三：将机器人的巡逻区域进行分解，划分为可遍历子区域和障碍区域；步骤四：建立过渡子区域并设计过渡算法，用于实现相邻可遍历子区域的过渡；步骤五：将巡逻区域内的可遍历子区域连接起来形成遍历顺序图；步骤六：按照遍历顺序图和过渡算法，设计巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法，用于完成巡逻任务。2.如权利要求1所述的一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法，其特征是，在步骤一中，Chebychev映射是一种形式简单的映射方程，具有k阶的Chebychev映射可表示为：xn＝f(xn-1)＝cos(k·arccos(xn-1))(1)式中，k是系统的阶数，n是迭代次数；当k取大于等于2的整数时，系统进入混沌状态，在运行区间内任意给定一个初始值x0，由公式(1)产生的迭代轨迹xn，随着k的增加，逐渐充满整个运行空间，使系统进入满映射状态,轨迹xn∈[-1,1]，是有界的；利用公式(2)所示的反正弦变换函数对公式(1)产生的迭代轨迹xn进行改进：改进后的迭代轨迹在运行区间内分布均匀。3.如权利要求2所述的一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法，其特征是，Lyapunov指数是衡量系统混沌状态的一个重要参数，如果最大Lyapunov指数λ＞0，则系统处于混沌状态，λ越大，系统的混沌性能越好，从而系统的随机性、不可预测性越好；计算λ的公式为：当k＝6时，由公式(3)计算得λ＝1.7918，经过公式(2)改进后，λ＝3.2147。4.如权利要求2所述的一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法，其特征是，在步骤二中，巡逻机器人全覆盖遍历规划路径的轨迹点为(xn,yn)，取k＝6时的满映射混沌状态为：公式(4)中(xn,yn)的运行范围是[-1～1,-1～1]的矩形空间；利用仿射变换将其映射到机器人的任意大小矩形运行空间为：其中[abcd]是仿射变换系数；则所构造的混沌路径规划器为：给定一个无障碍物的巡逻机器人的工作空间，根据公式(4)和公式(5)计算出工作空间的仿射变换参数[abcd]，然后在运行区间内任意给定一个初始值(x0,y0)，根据公式(6)依次计算出机器人在该区域内的每个巡逻轨迹点(xn,yn)，将相邻轨迹点连接起来，形成了巡逻机器人的移动轨迹。5.如权利要求1所述的一种巡逻机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法，其特征是，在步骤三中，利用平行分割线，从左到右、再从上到下沿障碍物边缘，依次向两边划分，碰到工作边界停止一次分割，直到所有的障碍物边缘...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彩虹，王凤英，王志强，王小宇，宋莉，张宁，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37