一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法及系统，该方法包括下述步骤：通过轮式移动机器人的几何学模型建立运动学模型，并在速度层上建立目标轨迹等式约束指标；通过计算轮式移动机器人上的脆弱点与障碍物点之间的距离建立障碍物躲避不等式约束指标；将轮式移动机器人的物理极限约束转化成速度层上的双端约束指标；将目标轨迹等式约束指标、障碍物躲避不等式约束指标和物理极限限制双端约束指标并入到二次规划控制中，性能指标为最小速度二范数；采用原对偶神经网络求解后传递给机器人完成障碍物躲避任务。本发明专利技术避免机器人在完成障碍物躲避任务时发生急停故障，并考虑了机器人的关节极限限制，保护了机器人的安全。

A method and system of obstacle avoidance for wheeled mobile robot based on vector

【技术实现步骤摘要】
一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法及系统
本专利技术涉及机器人避障控制
，具体涉及一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法及系统。
技术介绍
伴随着社会的快速发展，机器人被越来越多地应用于当前的生产和生活当中。对于移动机器人来说，一个很实际的应用就是在复杂环境中完成书写和画图的任务。为了控制移动机器人完成书写和画图的任务，必须考虑在实际环境中会遇到障碍物。对于移动机器人来说，在执行给定的目标轨迹跟踪主任务时，躲避障碍物十分有必要。这是因为，如果在移动机器人的工作环境中有障碍物，而机器人在执行过程中无法避开障碍物时，与障碍物发生的碰撞将导致机器人的损坏或障碍物的损坏，因此为移动平台以及冗余度机械臂建立一个统一的控制方法，躲避工作空间中的障碍物，具有十分重要的意义。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的缺陷与不足，本专利技术提供一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法及系统，通过设计基于矢量的障碍物躲避算法，结合机器人的物理极限限制约束，实现了轮式移动机器人在执行主任务时可以灵活的完成障碍物躲避的子任务。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法，包括如下步骤：通过轮式移动机器人的几何学模型建立轮式移动机器人的运动学模型，在速度层上建立轮式移动机器人的目标轨迹等式约束指标；通过计算轮式移动机器人上的脆弱点与障碍物点之间的距离，设置缓冲区，建立基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标，当所述脆弱点与障碍物点之间的距离处于缓冲区范围内，控制所述脆弱点对应的关节减速；将轮式移动机器人的物理极限约束指标转化成速度层上的双端约束指标；将所述目标轨迹等式约束指标、所述基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标和所述物理极限限制双端约束指标并入到统一形式的二次规划中，设计的性能指标为最小速度二范数；将二次规划等效为一个分段线性投影方程，采用原对偶神经网络求解器进行求解得到角度控制变量，将所述角度控制变量传送至轮式移动机器人，调节轮式移动机器人的机械臂旋转关节及驱动轮完成障碍物躲避任务。作为优选的技术方案，所述在速度层上建立轮式移动机器人的目标轨迹等式约束指标的具体步骤为：通过轮式移动机器人的几何学模型，求出轮式移动机器人末端执行器的雅克比矩阵，并在速度层上通过逆运动学问题，建立移动机器人的目标轨迹等式约束指标：其中，表示末端执行器的雅克比矩阵，表示轮式移动机器人的上的机械臂的各关节角速度和移动平台左右轮的驱动角速度，表示在速度层上的末端执行器的目标轨迹。作为优选的技术方案，所述建立基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标的具体步骤为：设置缓冲区为[d1,d2]，基于缓冲区构建基于矢量的障碍物躲避不等式约束为：J0定义为：其中，(xc,yc,zc)为脆弱点的坐标值，(xo,yo,zo)为障碍点的坐标值，sgn[·]表示符号函数，JC表示脆弱点的雅克比矩阵，v表示速度上限值，v定义为：光滑函数s(d)定义为：其中，函数max(·,·)表示对两个数或两个矢量取最大值的函数，d1、d2表示为缓冲区的上下阈值，d表示脆弱点与障碍物点之间的距离。作为优选的技术方案，所述将轮式移动机器人的物理极限约束指标转化成速度层上的双端约束指标，具体为：θ-≤θ≤θ+其中，θ表示轮式移动机器人各关节和驱动轮的角度，θ-和θ+分别表示轮式移动机器人各关节和驱动轮的角度所能达到的负极限值向量和正极限值向量，表示轮式移动机器人各关节和驱动轮的角速度，和表示轮式移动机器人各关节和驱动轮的角速度所能达到的负极限值向量和正极限值向量；将轮式移动机器人的物理极限约束转化为速度层，具体为：其中，ζ-，ζ+分别表示将角度约束和角速度的约束统一到速度层上的上、下极限约束向量，参数k表示正数。作为优选的技术方案，所述将所述目标轨迹等式约束指标、所述基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标和所述物理极限限制双端约束指标并入到统一形式的二次规划中，所述二次规划的目标函数为：其中，表示最小速度二范数。作为优选的技术方案，所述采用原对偶神经网络求解器进行求解得到角度控制变量，具体步骤为：将二次规划转化为分段线性投影方程：PΩ(u-(Mu+q))-u＝0其中，函数PΩ为一分段线性投影算子，投影到Ω，表示原对偶决定变量矢量，矢量g表示等式约束的对偶决策变量，矢量h表示不等式约束的对偶决策变量，Ω表示原对偶决定变量矢量的取值范围，各符号定义如下：Ω＝{u|u-≤u≤u+}W＝E；C＝0；其中，E表示单位矩阵，∞表示无穷大，lg＝[1,1,…1]T∈Rm，lh＝[1,1,…1]T∈Rm，ζ-，ζ+分别表示将角度约束和角速度的约束统一到速度层上的上、下极限约束向量；采用原对偶神经网络求解器进行求解得到角度控制变量：其中，参数β用于调整神经网络的收敛速度，设置为正数。本专利技术还提供一种基于矢量的轮式移动机器人避障系统，包括：目标轨迹等式约束指标构建模块、障碍物躲避不等式约束指标构建模块、双端约束指标构建模块、二次规划控制模块、原对偶神经网络求解器和轮式移动机器人控制器；所述目标轨迹等式约束指标构建模块用于通过轮式移动机器人的几何学模型建立轮式移动机器人的运动学模型，在速度层上建立轮式移动机器人的目标轨迹等式约束指标；所述障碍物躲避不等式约束指标构建模块用于通过计算轮式移动机器人上的脆弱点与障碍物点之间的距离设置缓冲区，建立基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标；所述双端约束指标构建模块用于将轮式移动机器人的物理极限约束指标转化成速度层上的双端约束指标；所述二次规划控制模块用于将目标轨迹等式约束指标、基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标和物理极限限制双端约束指标并入到统一形式的二次规划中；所述原对偶神经网络求解器用于求解二次规划等效后的分段线性投影方程，得到角度控制变量；所述轮式移动机器人控制器用于通过角度控制变量调节机械臂旋转关节及驱动轮完成障碍物躲避任务。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术采用了基于矢量的障碍物躲避的技术方案，解决了轮式移动机器人在执行目标任务时遇到障碍点而无法完成目标任务的问题，达到了在执行目标任务时也可以成功完成障碍物躲避任务的技术效果。(2)本专利技术采用了躲避机器人关节角度和角速度的物理极限限制的技术方案，解决了机器人在实际工作时机器人的关节角度和角速度会超出其物理极限限制的问题，达到了提高机器人的安全性的技术效果。附图说明图1为本实施例基于矢量的轮式移动机器人避障方法的流程示意图；图2为本实施例轮式移动机器人的结构示意图；图3为本实施例轮式移动机器人的几何学模型示意图；图4为本实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法，其特征在于，包括如下步骤：/n通过轮式移动机器人的几何学模型建立轮式移动机器人的运动学模型，在速度层上建立轮式移动机器人的目标轨迹等式约束指标；/n通过计算轮式移动机器人上的脆弱点与障碍物点之间的距离，设置缓冲区，建立基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标，当所述脆弱点与障碍物点之间的距离处于缓冲区范围内，控制所述脆弱点对应的关节减速；/n将轮式移动机器人的物理极限约束指标转化成速度层上的双端约束指标；/n将所述目标轨迹等式约束指标、所述基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标和所述物理极限限制双端约束指标并入到统一形式的二次规划中，设计的性能指标为最小速度二范数；/n将二次规划等效为一个分段线性投影方程，采用原对偶神经网络求解器进行求解得到角度控制变量，将所述角度控制变量传送至轮式移动机器人，调节轮式移动机器人的机械臂旋转关节及驱动轮完成障碍物躲避任务。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过轮式移动机器人的几何学模型建立轮式移动机器人的运动学模型，在速度层上建立轮式移动机器人的目标轨迹等式约束指标；
通过计算轮式移动机器人上的脆弱点与障碍物点之间的距离，设置缓冲区，建立基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标，当所述脆弱点与障碍物点之间的距离处于缓冲区范围内，控制所述脆弱点对应的关节减速；
将轮式移动机器人的物理极限约束指标转化成速度层上的双端约束指标；
将所述目标轨迹等式约束指标、所述基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标和所述物理极限限制双端约束指标并入到统一形式的二次规划中，设计的性能指标为最小速度二范数；
将二次规划等效为一个分段线性投影方程，采用原对偶神经网络求解器进行求解得到角度控制变量，将所述角度控制变量传送至轮式移动机器人，调节轮式移动机器人的机械臂旋转关节及驱动轮完成障碍物躲避任务。


2.根据权利要求1所述的基于矢量的轮式移动机器人避障方法，其特征在于，所述在速度层上建立轮式移动机器人的目标轨迹等式约束指标的具体步骤为：
通过轮式移动机器人的几何学模型，求出轮式移动机器人末端执行器的雅克比矩阵，并在速度层上通过逆运动学问题，建立移动机器人的目标轨迹等式约束指标：



其中，表示末端执行器的雅克比矩阵，表示轮式移动机器人的上的机械臂的各关节角速度和移动平台左右轮的驱动角速度，表示在速度层上的末端执行器的目标轨迹。


3.根据权利要求1所述的基于矢量的轮式移动机器人避障方法，其特征在于，所述建立基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标的具体步骤为：
设置缓冲区为[d1,d2]，基于缓冲区构建基于矢量的障碍物躲避不等式约束为：



J0定义为：



其中，(xc,yc,zc)为脆弱点的坐标值，(xo,yo,zo)为障碍点的坐标值，sgn[·]表示符号函数，JC表示脆弱点的雅克比矩阵，v表示速度上限值，v定义为：



光滑函数s(d)定义为：



其中，函数max(·,·)表示对两个数或两个矢量取最大值的函数，d1、d2表示为缓冲区的上下阈值，d表示脆弱点与障碍物点之间的距离。


4.根据权利要求1所述的基于矢量的轮式移动机器人避障方法，其特征在于，所述将轮式移动机器人的物理极限约束指标转化成速度层上的双端约束指标，具体为：
θ-≤θ≤θ+



其中，θ表示轮式移动机器人各关节和驱动轮的角度，θ-和θ+分别表示轮式移动机器人各关节和驱动轮的角度所能达到的负极限值向量和正极限值向量，表示轮式移动机器人各关节和驱动轮的角速度，和表示轮式移动机...

【专利技术属性】
技术研发人员：张智军，杨松，罗飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44