一种安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法技术

本发明专利技术公开了一种安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法，它包括以下步骤：构造安防机器人的混沌路径控制器并求解每个时刻机器人的遍历规划轨迹；在Arnold混沌方程中选择高覆盖率变量进行构造安防机器人的混沌路径控制器；构造高覆盖率候选集；设计压缩映射变换算法；生成安防机器人全覆盖遍历巡逻路径。本发明专利技术将Arnold混沌方程中能够产生最高覆盖率的变量与安防机器人运动学方程相结合，构造混沌路径控制器；利用压缩变换技术，将规划轨迹映射到指定起点，从而产生连续的全覆盖遍历轨迹，提高遍历覆盖率，并保持系统的混沌特性不变，能够满足安防机器人巡逻路径所要求的遍历、随机和不可预测性等需求。

A Patrol Patrol Patrol Planning Method for Security Robot Full Coverage

The invention discloses a planning method for full coverage traversal patrol path of security robot, which includes the following steps: constructing chaotic path controller of security robot and solving traversal planning trajectory of robot at each time; selecting high coverage variable to construct chaotic path controller of security robot in Arnold chaotic equation; constructing candidate set of high coverage; Reduced mapping transformation algorithm; Generating full coverage traversal patrol path for security robot. The present invention combines the variable of Arnold chaotic equation which can produce the highest coverage rate with the kinematics equation of the defense robot to construct a chaotic path controller, maps the planned trajectory to the designated starting point by using the compression transformation technology, thus generating a continuous full coverage trajectory, improving the coverage rate, and keeping the chaotic characteristics of the system unchanged, and can satisfy the patrol of the security robot. The traversal, stochastic and unpredictable requirements of the logical path.

【技术实现步骤摘要】
一种安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法
本专利技术涉及一种移动机器人路径规划方法，具体地说是一种安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法，属于机器人路径规划

技术介绍
安全问题是全社会共同关注的一件大事，因此安防是各行业，尤其是具有潜在危险的高风险行业所必需重视的一项工作。因此安防监控一直是所有单位的必备部门。近年来，人力成本不断上涨，很多单位面临招聘合格安保人员困难的问题。用廉洁人力进行安保巡逻，也存在一定的安全隐患。随着全球进入数字化时代，安防机器人以及各种智能安防系统可逐步替代简单乏味的安保工作，随着技术的不断成熟，可以在企业中大规模应用。另外，个人/家庭用户的安防需要也在增长，成为安防机器人应用的新领域。自主巡逻是安防机器人必备的功能。要求机器人所规划的巡逻路径能够监测整个工作区域，遍历每个巡逻轨迹点，实现快速扫描，保证及时发现爆炸物、入侵者或入侵设备等，同时需要具备随机特性或不可预测性，不能够被外来者所预测。目前针对安防机器人路径规划算法很少，大都采用预定路线的规划算法。刘满禄在“路径规划中巡逻机器人中的应用”，设计了二维条码实现电子地图与现场节点的匹配进行定位，然后利用拓扑地图进行路径规划。范创伟的专利技术专利“机器人巡逻路径控制方法”(专利号：CN101907891B)，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：CN104932507B)，都采用的是通过在巡逻路径上铺设磁导标循迹进行路径规划的方法。这些方法存在问题是巡逻路线单一、固定；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。2001年，YoshihikoNakamura和AkinoriSekiguchi利用三维混沌Arnold方程构造了第一个混沌机器人，产生全覆盖遍历规划路径，用来监测、巡逻工作空间。这种规划路径具有混沌方程的拓扑遍历性和对初始值的敏感特性。系统的拓扑遍历特性，能够使机器人产生全覆盖遍历轨迹，完成遍历巡逻任务；对初始值的敏感特性，使轨迹具有随机性，不能够被外来侵入者所预测。相比于随机信号，混沌系统还具有确定性，可以被设计者所控制。申请人在专利技术专利“一种清扫机器人全覆盖遍历路径规划算法的设计方法”(专利号ZL201610487847.6)中利用二维混沌Standard方程构造了混沌路径规划器，实现了巡逻机器人的全覆盖遍历规划任务。利用混沌信号产生全覆盖遍历轨迹，是安防机器人进行全覆盖遍历路径规划、产生巡逻路径的一个重要研究方向。利用二维混沌Standard方程构造的混沌路径规划器产生的全覆盖遍历轨迹，是离散的，需要机器人控制器跟踪执行。而利用三维Arnold方程可以直接构造机器人控制器，产生连续的全覆盖遍历轨迹，并且Arnold方程结构简单，具有与机器人动力学方程类似的结构，容易控制，覆盖率高，因此选用Arnold方程来构造混沌机器人路径控制器，产生全覆盖遍历规划路径。方法是让系统处于混沌状态下，选用其中一个混沌变量，与移动机器人运动学方程相结合，控制移动机器人的移动方向，从而产生具有随机性、不可预测性的全覆盖遍历轨迹，满足执行监测、巡逻等特殊任务的需求。但利用Arnold方程构造混沌机器人产生全覆盖遍历轨迹存在以下问题：(1)三维混沌方程具有3个变量，目前的研究工作没有讨论利用哪个变量构造混沌路径控制器的遍历覆盖效果更好；(2)混沌机器人产生的移动轨迹不加控制的话，很难集中在一个给定环境里，从而覆盖率得不到保证；(3)目前研究成果大都采用镜面映射的方法对移动轨迹的运行边界进行限制，这对遍历轨迹分散的混沌机器人限制过多，影响了系统的混沌特性，并且增加了判断次数，影响了系统的规划效率。针对上述存在的问题，迫切需要设计一种安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法，来满足安防机器人执行巡逻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，以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安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法，能够满足安防机器人巡逻路径所要求的遍历、随机和不可预测性等需求。本专利技术解决其技术问题采取的技术方案是：一种安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法，它包括以下步骤：构造安防机器人的混沌路径控制器并求解每个时刻机器人的遍历规划轨迹：首先将Arnold混沌方程与安防机器人运动学方程相结合来构造混沌路径控制器，然后利用二阶龙格-库塔法对其进行离散化处理，最后基于给定初始值求解每个时刻机器人的遍历规划轨迹；在Arnold混沌方程中选择高覆盖率变量进行构造安防机器人的混沌路径控制器：针对覆盖率，对不同变量构造混沌路径规划器的遍历效果进行比较，选择高覆盖率的变量进行构造安防机器人的混沌路径控制器；构造高覆盖率候选集：在给定运行区间内，选择具有高覆盖率的机器人初始值，构造高覆盖率初始值候选集，用以使候选集能够覆盖整个运行区间；设计压缩映射变换算法：将混沌路径控制器产生的遍历覆盖轨迹，进行压缩变换，映射到指定起点，产生连续的全覆盖遍历巡逻轨迹；生成安防机器人全覆盖遍历巡逻路径：在给定运行区域内，任意给定一个起点，根据所设计的压缩映射变换算法，产生连续的全覆盖遍历轨迹，从而完成安防机器人的巡逻任务。进一步地，所述构造安防机器人的混沌路径控制器并求解每个时刻机器人的遍历规划轨迹的过程具体为：Arnold混沌方程是一个连续的非线性动力学系统，其三维表达式为：其中，A、B和C是常数，用以控制系统的变换状态，x,y,z是系统的三个变量；选用A＝1，B＝0.5，C＝0.5时的Arnold混沌方程来构造安防机器人混沌路径控制器：安防机器人的运动学方程为：其中，(xr,yr)为机器人的轨迹点；v(t)为机器人线速度；w(t)为机器人角速度；从Arnold混沌方程(2)中任意选择一个变量，x,y,或z，这里假设选择变量z，与安防机器人运动学方程(3)相结合，所构造的混沌路径控制器为：利用二阶龙格-库塔法，求解公式(4)中的五个一阶微分方程，将其离散化成以下形式：公式(4)中离散化系数为：则所求得离散化公式为：h是迭代步距；给定初始值(x0,y0,z0,xr.0,yr.0)，则根据公式(6)和(7)推导出机器人每个时刻的移动轨迹(xr.n,yr.n)，其中(x0,y0,z0)是系统处于混沌状态时的初始值，(xr.0,yr.0)是机器人在给定环境里面的初始值。进一步地，所述在Arnold混沌方程中选择高覆盖率变量进行构造安防机器人的混沌路径控制器的过程具体为：覆盖率用符号Coverage_rate表示，定义为机器人已经遍历覆盖过的区域ΩC与总的工作区域Ωmn的比例关系：在系统参数、迭代步数相同的情况下，对Arnold混沌方程中3个变量所构造的混沌路径控制器在多个不同起点下所产生的遍历覆盖轨迹的覆盖率情况进行统计，迭代次数为n次，n为大于1的正整数，并对不同起点所得到的三个变量的覆盖率求取了平均值和标准差；覆盖率最高的变量标准差也最小，利用这个变量构造混沌机器人路径控制器。进一步地，所述构造高覆盖率候选集的过程具体为：假设一个给定运行环境为Ωmn，大小为m×n，将混沌路径控制器产生的轨迹，压缩到Ωmn内；假设控制器原来的起本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法，其特征是，包括以下步骤：构造安防机器人的混沌路径控制器并求解每个时刻机器人的遍历规划轨迹：首先将Arnold混沌方程与安防机器人运动学方程相结合来构造混沌路径控制器，然后利用二阶龙格‑库塔法对其进行离散化处理，最后基于给定初始值求解每个时刻机器人的遍历规划轨迹；在Arnold混沌方程中选择高覆盖率变量进行构造安防机器人的混沌路径控制器：针对覆盖率，对不同变量构造混沌路径规划器的遍历效果进行比较，选择高覆盖率的变量进行构造安防机器人的混沌路径控制器；构造高覆盖率候选集：在给定运行区间内，选择具有高覆盖率的机器人初始值，构造高覆盖率初始值候选集，用以使候选集能够覆盖整个运行区间；设计压缩映射变换算法：将混沌路径控制器产生的遍历覆盖轨迹，进行压缩变换，映射到指定起点，产生连续的全覆盖遍历巡逻轨迹；生成安防机器人全覆盖遍历巡逻路径：在给定运行区域内，任意给定一个起点，根据所设计的压缩映射变换算法，产生连续的全覆盖遍历轨迹，从而完成安防机器人的巡逻任务。

【技术特征摘要】
1.一种安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法，其特征是，包括以下步骤：构造安防机器人的混沌路径控制器并求解每个时刻机器人的遍历规划轨迹：首先将Arnold混沌方程与安防机器人运动学方程相结合来构造混沌路径控制器，然后利用二阶龙格-库塔法对其进行离散化处理，最后基于给定初始值求解每个时刻机器人的遍历规划轨迹；在Arnold混沌方程中选择高覆盖率变量进行构造安防机器人的混沌路径控制器：针对覆盖率，对不同变量构造混沌路径规划器的遍历效果进行比较，选择高覆盖率的变量进行构造安防机器人的混沌路径控制器；构造高覆盖率候选集：在给定运行区间内，选择具有高覆盖率的机器人初始值，构造高覆盖率初始值候选集，用以使候选集能够覆盖整个运行区间；设计压缩映射变换算法：将混沌路径控制器产生的遍历覆盖轨迹，进行压缩变换，映射到指定起点，产生连续的全覆盖遍历巡逻轨迹；生成安防机器人全覆盖遍历巡逻路径：在给定运行区域内，任意给定一个起点，根据所设计的压缩映射变换算法，产生连续的全覆盖遍历轨迹，从而完成安防机器人的巡逻任务。2.如权利要求1所述的一种安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法，其特征是，所述构造安防机器人的混沌路径控制器并求解每个时刻机器人的遍历规划轨迹的过程具体为：Arnold混沌方程是一个连续的非线性动力学系统，其三维表达式为：其中，A、B和C是常数，用以控制系统的变换状态，x,y,z是系统的三个变量；选用A＝1，B＝0.5，C＝0.5时的Arnold混沌方程来构造安防机器人混沌路径控制器：安防机器人的运动学方程为：其中，(xr,yr)为机器人的轨迹点；v(t)为机器人线速度；w(t)为机器人角速度；从Arnold混沌方程(2)中任意选择一个变量，x,y,或z，这里假设选择变量z，与安防机器人运动学方程(3)相结合，所构造的混沌路径控制器为：利用二阶龙格-库塔法，求解公式(4)中的五个一阶微分方程，将其离散化成以下形式：公式(4)中离散化系数为：则所求得离散化公式为：h是迭代步距；给定初始值(x0,y0,z0,xr.0,yr.0)，则根据公式(6)和(7)推导出机器人每个时刻的移动轨迹(xr.n,yr.n)，其中(x0,y0,z0)是系统处于混沌状态时的初始值，(xr.0,yr.0)是机器人在给定环境里面的初始值。3.如权利要求2所述的一种安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法，其特征是，所述在Arnold混沌方程中选择高覆盖率变量进行构造安防机器人的混沌路径控制器的过程具体为：覆盖率用符号Coverage_rate表示，定义为机器人已经遍历覆盖过的区域ΩC与总的工作区域Ωmn的比例关系：在系统参数、迭代步数相同的情况下，对Arnold混沌方程中3个变量所构造的混沌路径控制器在多个不同起点下所产生的遍历覆盖轨迹的覆盖率情况进行统计，迭代次数为n次，n为大于1的正整数，并对不同起点所得到的三个变量的覆盖率求取了平均值和标准差；覆盖率最高的变量标准差也最小，利用这个变量构造混沌机器人路径控制器。4.如权利要求3所述的一种安防机器人全覆盖遍历巡逻路径的规划方法，其特征是，所述构造高覆盖率候选集的过程具体为：假设一个给定运行环境为Ωmn，大小为m×n，将混沌路径控制器产生的轨迹，压缩到Ωmn内；假设控制器原来的起点为(xr.0,yr.0)，(xr.0,yr.0)∈[0a0b]，压缩以后，映射为Ωmn内的起点为(x'r.0,y'r.0)，(x'r.0,y'r.0)∈[0m0n]；设Coverage_rate≥Ratemax，Ratemax≥40％，将具有高覆盖率的起点(xr.0,yr.0)组...

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