一种基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法，通过跟踪光线的传播轨迹来生成一条连接机器人起始位置和目标位置的无碰撞路径。首先，模拟现实世界中的光线传播，获得一条连接起始点和目标点的原始路径，然后祛除多余的轨迹点并借助于三次贝塞尔曲线使得各个直线段路径平滑连接，最终生成一条连接起始点和目标点的光滑无碰撞路径。本发明专利技术的路径规划算法运行速度快，且可以保证机器人的运动速度始终连续变化，大大增强了移动机器人运动的平稳性和安全性，且适合移动机器人进行高速运动。运动。运动。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法


[0001]本专利技术涉及移动机器人
，尤其涉及一种基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法。

技术介绍

[0002]移动机器人的路径规划是指从一幅已知地图中规划出一条从起始位置到目标位置的连续无碰撞路径。目前存在诸多的路径规划算法，按照规划结果是否为最优可以分为最优化算法和非最优化算法，总体说来，目前存在的路径规划算法存在如下问题：
①
只考虑到了机器人在运动过程中位置变化的连续性，没有考虑机器人速度变化的连续性，限制了机器人的运动速度；
②
规划出的路径有可能距离障碍物很近而降低了机器人运动的安全性。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术公开了提出一种基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法，其所规划出的路径均是由长且笔直的路径直线段与贝塞尔曲线段拼接而成，在其连接处机器人运动的速度不变，且路径远离障碍物和地图边界，因而可以实现机器人运动速度的连续变化，适合于机器人进行高速运动，并且大大提高了机器人运动过程中的安全性。
[0004]本专利技术中基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法，包括两个阶段：
[0005]步骤(1)光线传播阶段；首先对起始点发射出的光线条数进行进行初始化，并对目标点进行膨胀使其覆盖一定的区域范围以便光线能够更加容易的照射上去，从而加快算法的收敛速度；然后在光线传播阶段，各条光线在环境之中沿直线传播并在障碍物和地图边界处发生漫反射，直到有一条光线成功经过目标区域；
[0006]将机器人的起始位置视作一个点光源，将机器人目标位置视作一个等待被照亮的物体并进行适当膨胀，其中被视作点光源的起始位置会发射出N条光线，N为正整数，该参数的设定随机器人所处的场景而定，如果机器人所处的场景较为宽敞，则该参数应设置得大一些，以保证尽可能多的覆盖全部区域，如果机器人所处的环境较为逼仄，则该参数应当设置的小一些，以避免不必要的计算量。同时N的大小对算法的收敛速度也具有一定影响，N越大则找到一条可行的原始路径的速度就越快，即算法收敛越快。
[0007]目标位置在初始化阶段应该进行适当的膨胀，以增大光线经过目标区域的概率，同时膨胀后的目标区域不能够包含有任何障碍物或者超出地图范围以外的区域。建议膨胀后的目标区域应该尽可能将其所在的自由通道(比如走廊)完全堵住，以保证不会有任何光线恰好从目标区域旁边经过，以至于错失找到可行路径的机会。
[0008]将地图的边界和障碍物视作粗糙的物体是指在这些区域发生的是漫反射，即光线新的传播方向是随机产生的，而不会像在光滑物体表面那样发生镜面反射，因为镜面反射的反射方向是固定的，而在粗糙物体表面的不同位置，漫反射的反射方向是随机的。
[0009]步骤(2)路径优化阶段；包括步骤(21)不相邻的入射点直接相连以祛除不必要的
入射点；检查某两个点之间是不是可以直接连接是指检查存在不存在一条光线从其中一点沿直线传播到另一点，如果能够直接连接，则说明这两点之间可以用一条光线直线连接，而无需等光线在多次反射之后才连接；如果不能够直接连接，说明以这两点为端点的线段会经过障碍物，因此光线必须在经过多次反射之后才能够连接这两点。这一步的目的是为了尽量避免机器人频繁的改变自己的前进方向。
[0010]步骤(22)路径直线段是相对于路径点来说的，由于光的直线传播，每两个入射点之间是通过一条直线段相连的，这一条直线段称为路径直线段，而将发生反射的位置即入射点称为路径点，使用贝塞尔曲线对各个路径直线段连接处的轨迹进行平滑。
[0011]进一步优选的，所述步骤1的具体操作包括：
[0012]步骤(11)：初始化设置：最开始，假设场景为一个完全黑暗的场景，将起始位置看做一个点光源，地图的边界和障碍物看做粗糙的物体，且会对入射的光线发生漫反射，因而光线会在场景中不断被反射；这一条经过目标区域的光线所走过的路径就是一条从起始位置到目标位置的一条原始可行路径；
[0013]步骤(12)：光线传播：在传播的过程中，在发生漫反射的位置会存在一个入射点，在生成的原始路径中，这些入射点将被称为路径点；使用一个vector容器来保存这些入射点，由于入射点与入射点之间一定是可以用直线直接连通的，因此最后对这些入射点之间的部分进行线性插值即可获得一个连续的可行路径；且为了模拟漫反射，在入射点处为入射光线随机选择反射方向。
[0014]进一步优选的，所述步骤(11)初始化具体包括：
[0015]步骤(111)设置从起始位置(点光源)发射出的光线条数为N；
[0016]步骤(112)设置对目标位置进行膨胀的幅度为dis
swell
，以目标位置为圆心，将其四周360
°
角按照一定的角度间隔α划分为n个sector，显然，α＝360
°
/n；
[0017]步骤(113)沿着每一个sector向圆外探索最大距离dis
swell
，如果中途遇到障碍物，则停止探索；最终所有探索过的区域共同组成目标区域。
[0018]进一步优选的，对每一条光线，首先，在入射点处为该光线随机选择反射方向，在开始的时候，入射点就是起始位置，这是为了模拟漫反射。同时，在同一个入射点处，即便是来自同一个方向的入射光线的反射方向也有可能是不同的，因为每一条光线的反射方向是随机产生的，这是为了增强算法对各种多样化环境的鲁棒性；然后，该光线将沿着随机产生的反射方向传播。
[0019]检查某两个点之间是不是可以直接连接是指检查存在不存在一条光线从其中一点沿直线传播到另一点，如果能够直接连接，则说明这两点之间可以用一条光线直线连接，而无需等光线在多次反射之后才连接；如果不能够直接连接，说明以这两点为端点的线段会经过障碍物，因此光线必须在经过多次反射之后才能够连接这两点。这一步的目的是为了尽量避免机器人频繁的改变自己的前进方向。
[0020]进一步优选的，在传播的过程中，每传播一个单位长度，执行如下操作：
[0021]步骤(121)：检查目前是不是经过目标区域，如果经过，则将目标位置压入对应光路ray_cluster，这一条光路中保存的是该光线所走过的路径上的所有入射点，并返回该条光路在所有光路中的索引并终止所有的光线的传播；
[0022]步骤(122)检查是不是碰到障碍物和地图边界，如果碰到，则将该位置作为入射点
压入对应光路ray_cluster，若为串行执行，那么此时需要暂时中止该光线的传播，并对下一条光线执行传播动作；若是并行实现，则需要为该光线重新选择传播方向。并行实现可以使得所有光线同时传播以加快算法的收敛速度。
[0023]步骤(123)否则，继续传播。
[0024]进一步优选的，步骤(2)中直到某一条光线经过目标区域是指此时存在一条光线在经过多次反射之后，能够成功地将起始位置和目标位置连接起来，这一条光线所走过的路径便是我们后续需要对其进行优化的原始路径。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤(1)光线传播阶段；首先对起始点发射出的光线条数进行进行初始化，并对目标点进行膨胀使其覆盖一定的区域范围以便光线能够更加容易的照射上去，从而加快算法的收敛速度；然后在光线传播阶段，各条光线在环境之中沿直线传播并在障碍物和地图边界处发生漫反射，直到有一条光线成功经过目标区域；步骤(2)路径优化阶段；包括步骤(21)不相邻的入射点直接相连以祛除不必要的入射点和步骤(22)使用贝塞尔曲线对各个路径直线段连接处的轨迹进行平滑。2.根据权利要求1所述的一种基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法，其特征在于，所述步骤1的具体操作包括：步骤(11)：初始化设置：最开始，假设场景为一个完全黑暗的场景，将起始位置看做一个点光源，地图的边界和障碍物看做粗糙的物体，且会对入射的光线发生漫反射，因而光线会在场景中不断被反射；这一条经过目标区域的光线所走过的路径就是一条从起始位置到目标位置的一条原始可行路径；步骤(12)：光线传播：在传播的过程中，在发生漫反射的位置会存在一个入射点，在生成的原始路径中，这些入射点将被称为路径点；使用一个vector容器来保存这些入射点，由于入射点与入射点之间一定是可以用直线直接连通的，因此最后对这些入射点之间的部分进行线性插值即可获得一个连续的可行路径；且为了模拟漫反射，在入射点处为入射光线随机选择反射方向。3.根据权利要求2所述的一种基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法，其特征在于：所述步骤(11)初始化具体包括：步骤(111)设置从起始位置(点光源)发射出的光线条数为N；步骤(112)设置对目标位置进行膨胀的幅度为dis
swell
，以目标位置为圆心，将其四周360
°
角按照一定的角度间隔α划分为n个sector，显然，α＝360
°
/n；步骤(113)沿着每一个sector向圆外探索最大距离dis
swell
，如果中途遇到障碍物，则停止探索；最终所有探索过的区域共同组成目标区域。4.根据权利要求2所述的一种基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法，其特征在于：对每一条光线，首先，在入射点处为该光线随机选择反射方向，在开始的时候，入射点就是起始位置，这是为了模拟漫反射。同时，在同一个入射点处，即便是来自同一个方向的入射光线的反射方向也有可能是不同的，因为每一条光线的反射方向是随机产生的，这是为了增强算法对各种多样化环境的鲁棒性；然后，该光线将沿着随机产生的反射方向传播。5.根据权利要求4所述的一种基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法，其特征在于：在传播的过程中，每传播一个单位长度，执行如下操作：步骤(121)：检查目前是不是经过目标区域，如果经过，则将目标位置压入对应光路ray_cluster，这一条光路中保存的是该光线所走过的路径上的所有入射点，并返回该条光路在所有光路中的索引并终止所有的光线的传播；步骤(122)检查是不是碰到障碍物和地图边界，如果碰到，则将该位置作为入射点压入对应光路ray_cluster，若为串行执行，那么此时需要暂时中止该光线的传播，并对下一条光线执行传播动作；若是并行实现，则需要为该光线重新选择传播方向。并行实现可以使得所有光线同时传播以加快算法的收敛速度；
步骤(123)否则，继续传播。6.根据权利要求1所述的一种基于光线跟踪的移动机器人路径规划方法，其特征在于，所述步骤21：从某一个入射点处向着排在其前面的不相邻入射点直接发射一条光线，如果这条光线可以不经反射而直接到达不相邻的入射点，则说明这两个入射点其实是可以直接相连的，也就意味着这两个入射点之间的那些入射点均是不必要的入射点，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓腾，甘亚辉，房芳，周波，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：