基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法，属于机器人技术领域。该方法包括步骤：S1，在机器人感知范围内分别将无障碍区域和障碍区域分别定义为吸引力向量和排斥向量；S2，在切换表面上建立开关信号1，使机器人有效避开障碍物并减少避障时间；在开关信号1的基础上建立开关信号2，其目的在于减少机器人抖动并阻止控制系统无限次切换；S3，通过设定不同控制行为，使得机器人不需要预先检验障碍物或考虑局部最小值颤动；S4，在开关信号控制下，形成混合避障控制方法来保证机器人正确地避开障碍物并避免自身抖动。

Hybrid obstacle avoidance control method of mobile robot based on switch signal

The invention relates to a hybrid obstacle avoidance control method of a mobile robot based on a switch signal, which belongs to the technical field of robot. The method includes the following steps: S1, defining the obstacle free area and obstacle area as attraction vector and repulsion vector respectively within the sensing range of the robot; S2, establishing switch signal 1 on the switching surface to make the robot avoid obstacles effectively and reduce the obstacle avoidance time; establishing switch signal 2 on the basis of switch signal 1 to reduce robot jitter and prevent the control system Unified infinite switching; S3, by setting different control behaviors, the robot does not need to check the obstacles in advance or consider the local minimum jitter; S4, under the control of the switch signal, a hybrid obstacle avoidance control method is formed to ensure that the robot correctly avoids the obstacles and avoid its own jitter.

【技术实现步骤摘要】
基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法
本专利技术属于机器人
，涉及基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法。
技术介绍
机器人导航三要素为：“我是谁？我在哪？我要去哪？”，机器人对外界环境的感知主要依靠自身传感器，在未知环境中目标点不在机器人传感器的探测范围之内，需要一个智能导航系统协助机器人运动。通过借鉴仿生行为，可以联想到机器人是不是也可以有同样的仿生运动，在未知环境下可以实时进行导航避障。对于已知目标行为，给定机器人一个目标点，它将计算现在所在位置与目标点之间的距离和角度并引导机器人运动。在机器人行走过程中往往会遇到各种障碍物比如凹凸面物体。在完全未知的环境中，如何快速高效避免障碍物是机器人必须具备的行为，避免障碍物的有效方法至关重要，解决此问题的先前方法包括人工势场法和路线图方法等。APF会受到局部最小值的限制，另外，如果机器人接近障碍物或在狭窄通道中移动时，会出现颤振或振荡，为了纠正振荡，控制器的采样率必须很小，导致机器人必须低速移动，这样可能会使机器人工作效率降低。路线图法需要预先了解导航环境，并需要大量的计算时间和硬件资源。机器人避障的问题通常在欧几里德空间形式化，但是，机器人的配置空间是特殊的欧几里德空间。此外，目前使用的是非完整机器人系统，因此，为了解决避障问题，必须考虑机器人的速度约束和航向角度等问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法，可以解决机器人在避障过程中出现自身抖动和效率低的问题。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法，包括以下步骤：S1：在非完整系统下构建机器人模型，在机器人感知范围内分别将无障碍区域和障碍区域分别定义为吸引力向量和排斥向量；S2：在切换表面上建立开关信号1，使机器人有效避开障碍物并减少避障时间；在开关信号1的基础上建立开关信号2，用于减少机器人抖动并阻止控制系统无限次切换；S3：通过设定不同控制行为，使得机器人不需要预先检验障碍物或考虑局部最小值颤动；S4：在开关信号控制下，形成混合避障控制方法来保证机器人正确地避开障碍物并避免自身抖动。可选的，在所述步骤S1中，非完整系统下构建机器人模型，机器人运动方程表达为：其中，θ表示全局坐标下特定方向，v和w分别表示机器人的线速度和角速度，为表示混合避障控制规律，定义一组连续且平滑的饱和函数σ(x)，且满足以下的性质：其中，饱和函数σ(x)＝tanh(x)。可选的，所述步骤S2和步骤S3中，在切换表面上建立开关信号1，并在开关信号1的基础上建立开关信号2，设定不同控制行为，具体步骤为：首先设定吸引函数对应的吸引矢量为：其中xrg＝xg-x，yrg＝yg-y；排斥函数定义为对应的排斥向量为：Φro＝p-pr＝[xro,yro]T其中xro＝x-xo和yro＝x-yo表示从障碍物指向机器人的排斥向量，排斥向量方向为从障碍物指向机器人；将吸引矢量投影到排斥矢量空间中得到机器人速度矢量，然后使用统一速度矢量Δp表示上述吸引矢量或回避矢量，表达式为：其中ζri＝{1,0}，i∈{1,2}表示避障状态之间切换信号的开启或关闭；定义开关信号ζr1：其中为机器人与障碍物之间的最小距离；提出的切换开关信号增加机器人与目标点之间方位角之差θro，当|θro|≥π/2时，ζr1＝0表示到障碍物的距离在机器人检测范围之内；将开关信号2表示为ζr2，并分成连续的分段切换信号：在开关信号1的作用下机器人有效避开障碍物，减少避障时间；但在避障的过程中会发生抖动状态，即机器人在避障区和安全区域之间切换，导致机器人鲁棒性减小；增加开关信号2为KM1的前馈切换信号，减少抖动增加系统鲁棒性，阻止控制系统无限次的自动切换。可选的，所述步骤S4中，混合控制规则的建立：机器人在运动中，系统在避障和无障碍之间往返切换，把系统看为混合切换行为；机器人在开关信号1和开关信号2之间切换行为为：当机器人检测到障碍物时，使用回避矢量控制机器人自身转向和速度，其中转向角大小是通过计算由两个旋转产生的吸引矢量和回避矢量之间的内积决定，选择具有较大内积的旋转矢量作为旋转角；机器人在静态障碍物环境下，得到排斥向量和分别为：对于动态障碍物排斥向量和分别为：机器人从传感器接收数据并利用接收到的数据进行分析，得到周围环境中障碍物的坐标，其中旋转矩阵用机器人坐标变换以此来控制机器人旋转角度，公式如下：通过分析从传感器获取的外围数据，计算自身与跟障碍和目标之间的角度矢量，保证机器人行驶方向与目标点矢量总是为正，即回避矢量总是决定机器人导航方向，方程如下所示：其中，设定在机器人导航库里的预处理行为对障碍物进行规避，使用KM1进行避障任务，通过KM2避免系统的抖动，控制机器人平稳运动，使机器人向目标点运动，且实时避免障碍物。本专利技术的有益效果在于：首先，在机器人感知范围内分别将无障碍区域和障碍区域分别定义为吸引力向量和排斥向量。然后，在切换表面上建立开关信号1，使机器人有效避开障碍物并减少避障时间；在开关信号1的基础上建立开关信号2，其目的在于减少机器人抖动并阻止控制系统无限次切换。最后，通过设定不同控制行为，使得机器人不需要预先检验障碍物或考虑局部最小值颤动，在开关信号控制下，形成混合避障控制方法来保证机器人正确地避开障碍物并避免自身抖动。通过实验证明，本文提出的算法能够在多静态障碍物下寻找最优路径，有效避开障碍物且导航路径光滑并保持系统的稳定性。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法流程图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利技术的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本专利技术实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本专利技术的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利技术的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：在非完整系统下构建机器人模型，在机器人感知范围内分别将无障碍区域和障碍区域分别定义为吸引力向量和排斥向量；S2：在切换表面上建立开关信号1，使机器人有效避开障碍物并减少避障时间；在开关信号1的基础上建立开关信号2，用于减少机器人抖动并阻止控制系统无限次切换；S3：通过设定不同控制行为，使得机器人不需要预先检验障碍物或考虑局部最小值颤动；S4：在开关信号控制下，形成混合避障控制方法来保证机器人正确地避开障碍物并避免自身抖动。

【技术特征摘要】
1.基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：在非完整系统下构建机器人模型，在机器人感知范围内分别将无障碍区域和障碍区域分别定义为吸引力向量和排斥向量；S2：在切换表面上建立开关信号1，使机器人有效避开障碍物并减少避障时间；在开关信号1的基础上建立开关信号2，用于减少机器人抖动并阻止控制系统无限次切换；S3：通过设定不同控制行为，使得机器人不需要预先检验障碍物或考虑局部最小值颤动；S4：在开关信号控制下，形成混合避障控制方法来保证机器人正确地避开障碍物并避免自身抖动。2.根据权利要求1所述的基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法，其特征在于：在所述步骤S1中，非完整系统下构建机器人模型，机器人运动方程表达为：其中，θ表示全局坐标下特定方向，v和w分别表示机器人的线速度和角速度，为表示混合避障控制规律，定义一组连续且平滑的饱和函数σ(x)，且满足以下的性质：其中，饱和函数σ(x)＝tanh(x)。3.根据权利要求2所述的基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法，其特征在于：所述步骤S2和步骤S3中，在切换表面上建立开关信号1，并在开关信号1的基础上建立开关信号2，设定不同控制行为，具体步骤为：首先设定吸引函数对应的吸引矢量为：其中xrg＝xg-x，yrg＝yg-y；排斥函数定义为对应的排斥向量为：Φro＝p-pr＝[xro,yro]T其中xro＝x-xo和yro＝x-yo表示从障碍物指向机器人的排斥向量，排斥向量方向为从障碍物指向机器人；将吸引矢量投影到排斥矢量空间中得到机器人速度矢量，然后使用统一速度矢量Δp表示上述吸引矢量或回避矢量，表达式为：其中ζri＝{1,0}，i∈{1,2}表示避障状态之...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄超，张毅，郑凯，
申请(专利权)人：重庆邮智机器人研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50