一种全覆盖路径规划方法及导航系统技术方案

本发明专利技术提出了一种全覆盖路径规划方法，提出了改进的全覆盖路径规划方法，在确定子区域内作业路径时，充分考虑了机器人自身长度的影响，解决了因机器人自身体积而传统往复式路线无法全覆盖施工的问题；同时考虑全部子区域的可行路径，从而规划出全局最优路径，对提高机器人施工覆盖面积和全覆盖行走的效率。本发明专利技术还提出一种全覆盖路径导航系统，可实现机器人的全覆盖自动导航，在允许施工区域有重叠而机器人行走路径没有重叠的条件下，提高机器人施工覆盖面积和全覆盖行走的效率。工覆盖面积和全覆盖行走的效率。工覆盖面积和全覆盖行走的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种全覆盖路径规划方法及导航系统


[0001]本专利技术涉及自动建筑施工
，特别是涉及一种全覆盖路径规划方法及导航系统。

技术介绍

[0002]随着建筑业的智能化升级，为实现室外施工的建筑机器人的自动行走和施工，关键技术在于行走路径的规划和导航。室外施工的智能建筑机器人通常需要采用基于GNSS的组合导航系统和全覆盖的路径规划方法。然而对于高精度的室外施工，基于GNSS的组合导航系统的控制精度不能满足要求。
[0003]公开号为CN112894816A的中国专利技术专利申请于2021年6月4日公开了一种基于GNSS和RFID的变电站巡检机器人导航定位方法，通过制作变电站巡检导航文件并根据巡检导航文件下达导航路径和方案；巡检机器人行走过程中，GNSS移动站收发信号得到实时位置信息；巡检机器人行走时，路标匹配、RFID实时读写定位、实现GNSS与RFID进行变电站巡检机器人的协同定位与导航，巡检机器人平台摄像单元实时获取巡检信息，通过GNSS与RFID接收到的地理位置信息和摄像头采集的图像信息不断发送到远程监控平台。该方案虽然大大地提高了巡检机器人的定位精度，但其通过GNSS与RFID技术在实现该方法的过程中，由于机器人的施工机构往往安装在设备的头部或尾部，缺乏对设备本体体积的考虑，无法真正做到全覆盖施工和无法满足施工过程中对无重复路径的要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决以上至少一种技术缺陷，提供一种全覆盖路径规划方法，解决了因机器人自身体积而无法全覆盖施工的问题。
[0005]本专利技术还提供一种全覆盖路径导航系统，提高机器人施工覆盖面积和全覆盖行走效率。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种全覆盖路径规划方法，应用于机器人，包括以下步骤：
[0008]S1：获取机器人运行区域的地图，并对其轮廓及区域内障碍进行人工标记；
[0009]S2：将标记后的地图进行区域分解，将地图划分为多个子区域；
[0010]S3：在每个子区域内，对所有方向的往复式遍历路径进行求解，得到子区域内全部的可行路径；
[0011]S4：根据步骤S3的求解结果确定子区域内作业路径，对子区域内轮廓先留空一圈处理，圈的宽度为机器人自身长度的若干倍，往复行走遍历完内部后再对留空的一圈进行补全；
[0012]S5：子区域内作业路径确定后，将子区域之间的衔接问题转化为广义旅行商问题，最终求解出全局的时间最优路径，完成全覆盖路径的规划。
[0013]上述方案中，本方案提出了改进的全覆盖路径规划方法，在确定子区域内作业路
径时，充分考虑了机器人自身长度的影响，解决了因机器人自身体积而传统往复式路线无法全覆盖施工的问题；同时考虑全部子区域的可行路径，从而规划出全局最优路径，提高机器人施工覆盖面积和全覆盖行走的效率。
[0014]其中，在所述步骤S1中，所述地图为经过坐标变换处理的作业区域轮廓及区域内障碍的拓扑地图。
[0015]其中，在所述步骤S2中，采用牛耕分解法或梯形分解法对标记后的地图进行区域分解。
[0016]其中，在所述步骤S3中，对每个子区域都计算其所有可行的往复式遍历方向，并根据机器人预设的直线运行速度和转弯运行速度计算出每个方向覆盖完子区域所需的运行时间，获取运行时间满足要求的全部的可行路径。
[0017]其中，在所述步骤S5中，将同一个子区域内每种可行路径视为广义旅行商问题中无向图的一个结点，每个子区域内所有可行路径的集合视为点集；由欧拉最短路径求取不同点集的两个结点之间的最短路径，并以该最短路径的长度作为无向图的边，构造得到邻接矩阵，至此完成广义旅行商问题的构建；最后，使用蚁群算法求解广义旅行商问题求解出全局的时间最优路径。
[0018]本专利技术还提供一种全覆盖路径导航系统，包括机器人和基站，还包括组合定位模块、通信模块、计算处理模块和远程客户端；其中：
[0019]组合定位模块固定安装在机器人本体上，用于通过通信模块获取基站的坐标位置信息和姿态信息并传输给计算处理模块；
[0020]计算处理模块通过通信模块与远程客户端通信连接，用于接收远程客户端的机器人运行区域的地图、控制指令、预设参数及向远程客户端反馈信息；
[0021]计算处理模块固定安装在机器人本体上，用于执行一种全覆盖路径规划方法，实现机器人的全覆盖路径导航，具体为：
[0022]计算处理模块获取远程客户端传输的运行区域的地图，并根据远程客户端的控制指令对其轮廓及区域内障碍进行人工标记；将标记后的地图进行区域分解，将地图划分为多个子区域；根据远程客户端传输的预设参数和组合定位模块获取的基站坐标位置信息及姿态信息对每个子区域内所有方向的往复式遍历路径进行求解，得到子区域内全部的可行路径，确定子区域内作业路径；子区域内作业路径确定后，将子区域之间的衔接问题转化为广义旅行商问题，求解出全局的时间最优路径，完成全覆盖路径规划；最后根据全覆盖路径规划对机器人进行控制。
[0023]其中，所述计算处理模块采用单片机控制模块和工控机平台实现；其中：
[0024]单片机控制模块用于从组合定位模块获取的基站坐标位置信息及姿态信息，通过通信模块接收远程客户端的机器人运行区域的地图、控制指令、预设参数；将以上信息打包并传输给所述工控机平台，并根据工控机平台反馈对控制信号对机器人进行闭环控制；
[0025]所述工控机平台用于根据运行区域的地图，远程客户端的控制指令、预设参数，基站坐标位置信息及姿态信息进行全覆盖路径规划，并根据路径规划发送控制信号给单片机控制模块，实现全覆盖导航。
[0026]其中，在所述计算处理模块中，采用牛耕分解法或梯形分解法对标记后的地图进行区域分解。
[0027]其中，所述计算处理模块在确定子区域内作业路径过程中，对子区域内轮廓先留空一圈处理，圈的宽度为机器人自身长度的若干倍，往复行走遍历完内部后再对留空的一圈进行补全。
[0028]其中，在所述计算处理模块中，将同一个子区域内每种可行路径视为广义旅行商问题中无向图的一个结点，每个子区域内所有可行路径的集合视为点集；由欧拉最短路径求取不同点集的两个结点之间的最短路径，并以该最短路径的长度作为无向图的边，构造得到邻接矩阵，完成广义旅行商问题的构建，最后使用蚁群算法求解广义旅行商问题求解出全局的时间最优路径。
[0029]通过本方案提供的系统可实现机器人的全覆盖自动导航，在允许施工区域有重叠而机器人行走路径没有重叠的条件下，实现接近100％的施工覆盖面。
[0030]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：
[0031]本专利技术提出了一种全覆盖路径规划方法，提出了改进的全覆盖路径规划方法，在确定子区域内作业路径时，充分考虑了机器人自身长度的影响，解决了因机器人自身体积而传统往复式路线无法全覆盖施工的问题；同时考虑全部子区域的可行路径，从而规划出全局最优路径，对提高机器人施工覆盖面积和全本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全覆盖路径规划方法，应用于机器人，其特征在于，包括以下步骤：S1：获取机器人运行区域的地图，并对其轮廓及区域内障碍进行人工标记；S2：将标记后的地图进行区域分解，将地图划分为多个子区域；S3：在每个子区域内，对所有方向的往复式遍历路径进行求解，得到子区域内全部的可行路径；S4：根据步骤S3的求解结果确定子区域内作业路径，对子区域内轮廓先留空一圈处理，圈的宽度为机器人自身长度的若干倍，往复行走遍历完内部后再对留空的一圈进行补全；S5：子区域内作业路径确定后，将子区域之间的衔接问题转化为广义旅行商问题，最终求解出全局的时间最优路径，完成全覆盖路径的规划。2.根据权利要求1所述的一种全覆盖路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述地图为经过坐标变换处理的作业区域轮廓及区域内障碍的拓扑地图。3.根据权利要求1所述的一种全覆盖路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用牛耕分解法或梯形分解法对标记后的地图进行区域分解。4.根据权利要求1所述的一种全覆盖路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对每个子区域都计算其所有可行的往复式遍历方向，并根据机器人预设的直线运行速度和转弯运行速度计算出每个方向覆盖完子区域所需的运行时间，获取运行时间满足要求的全部的可行路径。5.根据权利要求1所述的一种全覆盖路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S5中，将同一个子区域内每种可行路径视为广义旅行商问题中无向图的一个结点，每个子区域内所有可行路径的集合视为点集；由欧拉最短路径求取不同点集的两个结点之间的最短路径，并以该最短路径的长度作为无向图的边，构造得到邻接矩阵，至此完成广义旅行商问题的构建；最后，使用蚁群算法求解广义旅行商问题求解出全局的时间最优路径。6.一种全覆盖路径导航系统，包括机器人和基站，其特征在于，还包括组合定位模块、通信模块、计算处理模块和远程客户端；其中：组合定位模块固定安装在机器人本体上，用于通过通信模块获取基站的坐标位置信息和姿态信息并传输给计算处理模块；计算处理模块通过通信模块与远程客户端通信连接，用于接收远程客户端的机器人运行区域的地图、控制指令、预设参数及向远程客户端反馈信息；计算处理模块固定安装在...

【专利技术属性】
技术研发人员：何康园，邓院昌，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：