基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建的方法和系统，首先将机器人虚拟样机与初始场景导入虚拟仿真交互平台中，在平台中对当前场景生成导航网格，根据探测机器人虚拟样机的三维坐标与目的地的三维坐标，得到探测机器人虚拟样机在初始虚拟场景中的行走路径，并生成操控命令同时驱动机器人虚拟样机与真实机器人同步运动，机器人不断采集环境信息，并对发生变化的场景进行局部更新重建，生成新的场景，在新的场景下重复之前步骤。本发明专利技术的方法具有良好的交互性，设计合理，实用性强，推广价值高，弥补当前的煤矿救援机器人控制技术方面的不足。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建的方法和系统
本专利技术属于机器人路径规划
，具体涉及煤矿灾后检测机器人路径规划及场景重建技术，尤其涉及一种基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建的方法和系统。
技术介绍
机器人路径规划技术一直是机器人研究领域的重要问题，通常所说的路径规划问题是指在有障碍物的环境下为机器人寻找一条从起点到终点的合适运动路径，使机器人可以安全、无碰撞地通过障碍物。目前，传统的路径规划方法都是基于一些特定的算法，包括遗传算法、模糊逻辑算法等，但是基于传统算法的路径规划方法存在的主要技术问题是在动态实时变化的环境中计算时间周期长，消耗资源以及最优算法的选择问题。并且传统路径规划方法是预先已知障碍物在工作场景中的具体位置，具有一定的局限性。近年来，随着自主移动机器人的应用范围逐渐从静态结构化环境向复杂非结构化环境拓展，利用传感器实时获取环境信息，动态构建三维环境模型，将对移动机器人在未知环境下的导航定位和目标识别等具有重要意义。但当前的技术在井下煤矿的应用局限性很大，因为灾后井下光源不足，无法使用摄像头，通讯延时很大，存在延时卡顿的问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺点，本专利技术的目的是提供一种基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建的方法和系统，解决当前机器人路径规划与环境重建方法中使用大量控制算法以及障碍物提取时计算速度慢，时间周期长，占用资源多且在复杂环境下难以实现的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现：基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建方法，包括以下步骤：步骤1、根据煤矿建井设计图或巷道布置图，建立探测探测机器人三维模型和初始场景三维模型，将探测机器人三维模型和初始场景三维模型导入虚拟仿真交互平台，显示探测机器人虚拟样机和初始虚拟场景；步骤2、将初始虚拟场景生成导航网格，根据探测机器人虚拟样机的三维坐标与目的地的三维坐标，得到探测机器人虚拟样机在初始虚拟场景中的行走路径；步骤3、将探测机器人虚拟样机在初始虚拟场景中的行走路径发送至探测机器人，驱动探测机器人与探测机器人虚拟样机同步运动；步骤4、采集探测机器人当前场景数据，将这些数据处理后与初始场景数据进行匹配，筛选出与初始场景数据不同的数据作为坐标点云数据，将这些坐标点云数据进行处理，得到重建后的虚拟场景；步骤5、将重建后的虚拟场景生成导航网格，根据探测机器人虚拟样机的三维坐标与目的地的三维坐标，结合重建后虚拟场景中的路径障碍，得到探测机器人虚拟样机新的行走路径；步骤6、将得到的新的行走路径作为步骤3中初始虚拟场景中的行走路径，重复上述步骤3至步骤5，直至探测机器人到达目的地。具体的，所述的步骤4中，坐标点云数据的处理过程为：首先建立立体栅格单元体，将该立体栅格单元体导入显示当前虚拟场景的虚拟仿真交互平台，其中，立体栅格单元体为1mm×1mm×1mm的立方体，可以按照所需要精度对其按比例缩放；然后读取各个坐标点云的位置信息，将这些位置信息设定为立体栅格单元在当前虚拟场景中克隆的指定位置；最后，实例化克隆立体单元栅格体于这些指定位置，即得到重建后的虚拟场景。具体的，所述的步骤4中，采集探测机器人当前场景数据，将这些数据处理后与初始场景数据进行匹配，具体过程为：首先将激光雷达采集到的原始极坐标下的数据转化为三维直角坐标系下的数据，并将这些数据合并至同一三维直角坐标系内；然后对这些合并后的数据进行滤波、配准和精简处理；最后将处理后的数据与初始场景数据进行匹配。具体的，所述的步骤2和步骤5中，根据生成的导航网格、探测机器人的三维坐标和目的地的三维坐标，采用插补的方法实现路径规划。具体的，所述的步骤2和步骤5中的具体过程为：在基于Unity3D软件开发的虚拟仿真交互平台中添加Navigation.Static模块对当前场景生成导航网格，在探测机器人虚拟样机上添加Nav.Mesh.Agent组件，烘焙场景实现自动规划路径，得到探测机器人虚拟样机在虚拟场景中的行走路径。本专利技术还公开了一种基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建系统，包括：虚拟仿真交互平台、路径规划模块一、同步控制模块、场景重建模块和路径规划模块二；所述的虚拟仿真交互平台用于根据煤矿建井设计图或巷道布置图，建立探测探测机器人三维模型和初始场景三维模型，将探测机器人三维模型和初始场景三维模型导入虚拟仿真交互平台，显示探测机器人虚拟样机和初始虚拟场景；所述的路径规划模块一，用于将初始虚拟场景生成导航网格，根据探测机器人虚拟样机的三维坐标与目的地的三维坐标，得到探测机器人虚拟样机在初始虚拟场景中的行走路径；所述的同步控制模块，用于将探测机器人虚拟样机在初始虚拟场景中的行走路径发送至探测机器人，驱动探测机器人与探测机器人虚拟样机同步运动；所述的场景重建模块，用于采集探测机器人当前场景数据，将这些数据处理后与初始场景数据进行匹配，筛选出与初始场景数据不同的数据作为坐标点云数据，将这些坐标点云数据进行处理，得到重建后的虚拟场景；所述的路径规划模块二，用于将重建后的虚拟场景生成导航网格，根据机器人虚拟样机的三维坐标与目的地的三维坐标，结合重建后虚拟场景中的路径障碍，得到机器人虚拟样机新的行走路径。具体的，所述的场景重建模块中，坐标点云数据的处理过程为：首先建立立体栅格单元体，将该立体栅格单元体导入显示当前虚拟场景的虚拟仿真交互平台，其中，立体栅格单元体为1mm×1mm×1mm的立方体；然后读取各个坐标点云的位置信息，将这些位置信息设定为立体栅格单元在当前虚拟场景中克隆的指定位置；最后，实例化克隆立体单元栅格体于这些指定位置，即得到重建后的虚拟场景。具体的，所述的场景重建模块中，采集探测机器人当前场景数据，将这些数据处理后与初始场景数据进行匹配，具体过程为：首先将激光雷达采集到的原始极坐标下的数据转化为三维直角坐标系下的数据，并将这些数据合并至同一三维直角坐标系内；然后对这些合并后的数据进行滤波、配准合精简处理，将处理后的数据与初始场景数据进行匹配。具体的，所述的路径规划模块一中，根据生成的导航网格、探测机器人的三维坐标和目的地的三维坐标，采用插补的方法实现路径规划。具体的，所述的路径规划模块一中，在基于Unity3D软件开发的虚拟仿真交互平台中添加Navigation.Static模块对当前场景生成导航网格，在探测机器人虚拟样机上添加Nav.Mesh.Agent组件，烘焙场景实现自动规划路径，得到探测机器人虚拟样机在初始虚拟场景中的行走路径。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术通过引入虚拟现实的方法，将远端机器人与环境的位置关系可视化的现实在显示平台上，在虚拟平台中根据场景变化自动更新实时路径，并控制探测机器人同步运动，本专利技术方法相对于传统方法，不需要对场景进行全部重新建模，仅需重建与初始场景不一样的部分，数据量明显减少，可提升路径规划时的效率；同时也方便人工干预远程操控。2)本专利技术的场景重建中，使用三维栅格克隆的方法，与传统的三维栅格堆栈重建的方法相比，本专利技术的三维栅格克隆方法不需要模型属性资源，只需要改变栅格单元体的显示位置，因此，资源占用少，建模效率高。3)本专利技术的方法具有良好的交互性，设计合理，实用性强，推广价值高，弥补当前的煤矿救援机器人控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据煤矿建井设计图或巷道布置图，建立探测探测机器人三维模型和初始场景三维模型，将探测机器人三维模型和初始场景三维模型导入虚拟仿真交互平台，显示探测机器人虚拟样机和初始虚拟场景；步骤2、将初始虚拟场景生成导航网格，根据探测机器人虚拟样机的三维坐标与目的地的三维坐标，得到探测机器人虚拟样机在初始虚拟场景中的行走路径；步骤3、将探测机器人虚拟样机在初始虚拟场景中的行走路径发送至探测机器人，驱动探测机器人与探测机器人虚拟样机同步运动；步骤4、采集探测机器人当前场景数据，将这些数据处理后与初始场景数据进行匹配，筛选出与初始场景数据不同的数据作为坐标点云数据，将这些坐标点云数据进行处理，得到重建后的虚拟场景；步骤5、将重建后的虚拟场景生成导航网格，根据探测机器人虚拟样机的三维坐标与目的地的三维坐标，结合重建后虚拟场景中的路径障碍，得到探测机器人虚拟样机新的行走路径；步骤6、将得到的新的行走路径作为步骤3中初始虚拟场景中的行走路径，重复上述步骤3至步骤5，直至探测机器人到达目的地。

【技术特征摘要】
1.基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据煤矿建井设计图或巷道布置图，建立探测探测机器人三维模型和初始场景三维模型，将探测机器人三维模型和初始场景三维模型导入虚拟仿真交互平台，显示探测机器人虚拟样机和初始虚拟场景；步骤2、将初始虚拟场景生成导航网格，根据探测机器人虚拟样机的三维坐标与目的地的三维坐标，得到探测机器人虚拟样机在初始虚拟场景中的行走路径；步骤3、将探测机器人虚拟样机在初始虚拟场景中的行走路径发送至探测机器人，驱动探测机器人与探测机器人虚拟样机同步运动；步骤4、采集探测机器人当前场景数据，将这些数据处理后与初始场景数据进行匹配，筛选出与初始场景数据不同的数据作为坐标点云数据，将这些坐标点云数据进行处理，得到重建后的虚拟场景；步骤5、将重建后的虚拟场景生成导航网格，根据探测机器人虚拟样机的三维坐标与目的地的三维坐标，结合重建后虚拟场景中的路径障碍，得到探测机器人虚拟样机新的行走路径；步骤6、将得到的新的行走路径作为步骤3中初始虚拟场景中的行走路径，重复上述步骤3至步骤5，直至探测机器人到达目的地。2.如权利要求1所述的基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建方法，其特征在于，所述的步骤4中，坐标点云数据的处理过程为：首先建立立体栅格单元体，将该立体栅格单元体导入显示当前虚拟场景的虚拟仿真交互平台，其中，立体栅格单元体为1mm×1mm×1mm的立方体，可以按照所需要精度对其按比例缩放；然后读取各个坐标点云的位置信息，将这些位置信息设定为立体栅格单元在当前虚拟场景中克隆的指定位置；最后，实例化克隆立体单元栅格体于这些指定位置，即得到重建后的虚拟场景。3.如权利要求1所述的基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建方法，其特征在于，所述的步骤4中，采集探测机器人当前场景数据，将这些数据处理后与初始场景数据进行匹配，具体过程为：首先将激光雷达采集到的原始极坐标下的数据转化为三维直角坐标系下的数据，并将这些数据合并至同一三维直角坐标系内；然后对这些合并后的数据进行滤波、配准和精简处理；最后将处理后的数据与初始场景数据进行匹配。4.如权利要求1所述的基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建方法，其特征在于，所述的步骤2和步骤5中，根据生成的导航网格、探测机器人的三维坐标和目的地的三维坐标，采用插补的方法实现路径规划。5.如权利要求1所述的基于虚拟现实的机器人路径规划与环境重建方法，其特征在于，所述的步骤2和步骤5中的具体过程为：在基于Unity3D软件开发的虚拟仿真交互平台中添加Navigation.Static模块对当前场景生成导航网格，在探测机器人虚拟样机上添加Nav.Mesh.Agent组件，烘焙场景实现自动规划路径，得到探测机器人虚拟样机在虚拟场景中的行走路径。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭辉，董润霖，杜昱阳，王妙云，张雨萌，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61