考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法技术

本发明专利技术公开一种考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法，包括获得维诺图V

【技术实现步骤摘要】
考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法


[0001]本专利技术涉及机器人路径规划及运动控制
，具体为一种考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法。

技术介绍

[0002]医院、传染病集中地以及酒店宾馆等环境中容易堆积对人体有害的微生物，必须依据规范指引对环境进行消毒，使用消毒机器人能够较好的实现消毒作业，在现实中，会面临许多具有多个消毒目标的区域(如大型医院、传染病爆发区等)，采用消毒机器人进行消毒可以最大程度上降低人类的危险；为了对具有多个消毒目标的区域进行勘察和消毒作业，消毒机器人必须具有多目标路径规划的能力，使消毒机器人能够规划一条覆盖区域内所有消毒目标的路径。
[0003]现有技术中，绝大多数的多目标路径规划方法，都假设机器人拥有足够的能量覆盖整个区域，来进行重复的迭代运行；然而，在运行过程中的路径长度、转动角度大小、能量消耗以及路径覆盖率等参数，都是消毒机器人在进行多目标路径规划时必须考虑的问题。
[0004]综上所述，如何在考虑运行过程中的路径长度、转动角度大小、能量消耗以及路径覆盖率等参数的同时，为消毒机器人设计合理的多目标路径规划方法，成为亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法，能够在考虑消毒机器人的总行驶距离、总旋转角度、能量消耗总量以及消毒区域重合率的情况下，完成消毒机器人的多目标路径规划。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法，其包括下述步骤：
[0007]S1、将待规划区域的地图处理为改进的维诺图V
m
，以形成若干不重叠的多边形子区域，并获得所述维诺图V
m
的改进点集S；
[0008]S2、根据所述改进的维诺图V
m
和所述消毒机器人的形状，采用构型空间表示所述消毒机器人在所述待规划区域内的可行子区域S
O
，并采用构型空间表示所述待规划区域内的障碍物子区域S
i
；
[0009]S3、根据所述消毒机器人的多个消毒目标，规划所述消毒机器人的路径s，分别构建所述消毒机器人的路径代价函数C1(s)、角度代价函数C2(s)、能量消耗代价函数C3(s)以及路径覆盖率代价函数C4(s)，并求和或加权求和所述路径代价函数C1(s)、所述角度代价函数C2(s)、所述能量消耗代价函数C3(s)以及所述路径覆盖率代价函数C4(s)，获得总代价函数C(x)，且使用所述维诺图V
m
的改进点集S和所述可行子区域S
O
来约束所述总代价函数C(x)；
[0010]其中，所述路径代价函数C1(s)关于所述消毒机器人在消毒目标中以及各个消毒
目标间的总行驶距离，所述角度代价函数C2(s)关于所述消毒机器人在消毒目标中以及各个消毒目标间的总旋转角度，所述能量消耗代价函数C3(s)关于所述消毒机器人的能量消耗总量，所述路径覆盖率代价函数C4(s)关于所述消毒机器人的消毒区域重合率；
[0011]S4、将所述总代价函数C(x)结构化，并进一步构造学习型神经网络，以动态获取所述总代价函数C(x)最小的路径。
[0012]上述技术方案中，所述步骤S1具体包括：
[0013]S1.1、在待规划区域的地图上生成若干的随机点P
i
；
[0014]S1.2、以所述随机点P
i
的集合作为初始点集S0，生成改进的维诺图V
m
，以形成若干不重叠的多边形子区域；
[0015]S1.3、对所有的所述多边形子区域赋予权值w
i
，并利用所述权值w
i
改进所述初始点集S0，以获得所述维诺图V
m
的改进点集S＝{w1p1,w2p2,...,w
n
p
n
}。
[0016]上述技术方案中，所述步骤S2中的可行子区域S
O
，具体为：
[0017][0018]在构型空间下，p
r
为所述消毒机器人的质点，S
R
为全部点p
r
所构成的集合，S
C
为整个所述待规划区域的点集，S
W
为所述消毒机器人在所述待规划区域中的工作空间之点集，且Sc＝S
i
+S
W
。
[0019]上述技术方案中，所述步骤S3中的路径代价函数C1(s)，具体为：
[0020][0021]其中，l
i
为所述消毒机器人从上一个消毒目标的结束点到当前消毒目标的起始点之间的行驶距离，d
j
为所述消毒机器人在第j个消毒目标中的行驶距离，q+1为消毒目标的总个数，q为l
i
的总段数。
[0022]上述技术方案中，所述步骤S3中的角度代价函数C2(s)，具体为：
[0023][0024]其中，(Q
i
,Q
i+1
)为路径s的序列点集，θ(Q
i
,Q
i+1
)为所述消毒机器人在Q
i
与Q
i+1
这两点之间的旋转角度，h为所述消毒机器人的总旋转次数。
[0025]上述技术方案中，所述步骤S3中的能量消耗代价函数C3(s)，具体为：
[0026][0027]其中，E1为所述消毒机器人从上一个消毒目标的结束点到当前消毒目标的起始点之间的行驶过程中的能量消耗系数，E2为所述消毒机器人在消毒目标中的行驶及消毒过程中的能量消耗系数，E3为所述消毒机器人在旋转时的能量消耗系数。
[0028]上述技术方案中，所述步骤S3中的路径覆盖率代价函数C4(s)，具体为：
[0029][0030]其中，p为消毒目标的点集，Q
i
为所述消毒机器人的消毒范围的点集，dA为消毒目标的微分。
[0031]上述技术方案中，所述路径覆盖率代价函数C4(s)通过下述步骤简化：
[0032]Sa、定义所述维诺图V
m
的任意一个多边形子区域的质心为点g，则有：
[0033][0034][0035]其中，g
x
为点g的x轴坐标，g
y
为点g的y轴坐标，n
a
为所述维诺图V
m
中的顶点个数，A
g
为点g所在的多边形子区域的面积，且有：
[0036][0037]Sb、综合所述维诺图V
m
的所有多边形子区域，将所述路径覆盖率代价函数C4(s)简化为：
[0038][0039]上述技术方案中，所述步骤S3中的总代价函数C(x)，有：
[0040]min C(x)＝(C1(s),C2(s),C3(s),C4(s))。
[0041]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、将待规划区域的地图处理为改进的维诺图V
m
，以形成若干不重叠的多边形子区域，并获得所述维诺图V
m
的改进点集S；S2、根据所述改进的维诺图V
m
和所述消毒机器人的形状，采用构型空间表示所述消毒机器人在所述待规划区域内的可行子区域S
O
，并采用构型空间表示所述待规划区域内的障碍物子区域S
i
；S3、根据所述消毒机器人的多个消毒目标，规划所述消毒机器人的路径s，分别构建所述消毒机器人的路径代价函数C1(s)、角度代价函数C2(s)、能量消耗代价函数C3(s)以及路径覆盖率代价函数C4(s)，并求和或加权求和所述路径代价函数C1(s)、所述角度代价函数C2(s)、所述能量消耗代价函数C3(s)以及所述路径覆盖率代价函数C4(s)，获得总代价函数C(x)，且使用所述维诺图V
m
的改进点集S和所述可行子区域S
O
来约束所述总代价函数C(x)；其中，所述路径代价函数C1(s)关于所述消毒机器人在消毒目标中以及各个消毒目标间的总行驶距离，所述角度代价函数C2(s)关于所述消毒机器人在消毒目标中以及各个消毒目标间的总旋转角度，所述能量消耗代价函数C3(s)关于所述消毒机器人的能量消耗总量，所述路径覆盖率代价函数C4(s)关于所述消毒机器人的消毒区域重合率；S4、将所述总代价函数C(x)结构化，并进一步构造学习型神经网络，以动态获取所述总代价函数C(x)最小的路径。2.根据权利要求1所述的考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：S1.1、在待规划区域的地图上生成若干的随机点P
i
；S1.2、以所述随机点P
i
的集合作为初始点集S0，生成改进的维诺图V
m
，以形成若干不重叠的多边形子区域；S1.3、对所有的所述多边形子区域赋予权值w
i
，并利用所述权值w
i
改进所述初始点集S0，以获得所述维诺图V
m
的改进点集S＝{w1p1,w2p2,...,w
n
p
n
}。3.根据权利要求2所述的考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法，其特征在于，所述步骤S2中的可行子区域S
O
，具体为：在构型空间下，p
r
为所述消毒机器人的质点，S
R
为全部点p
r
所构成的集合，S
C
为整个所述待规划区域的点集，S
W
为所述消毒机器人在所述待规划区域中的工作空间之点集，且Sc＝S
i
+S
W
。4.根据权利要求1所述的考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法，其特征在于，所述步骤S3中的路径代价函数C1(s)，具体为：其中，l
i
为所述消毒机器人从上一个消毒目标的结束点到当前消毒目标的起始点之间的行驶距离，d
j
为所述消毒机器人在第j个消毒目标中的行驶距离，q+1为消毒目标的总个数，q为l
i
的总段数。5.根据权利要求4所述的考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法，其特征在于，所
述步骤S3中的角度代价函数C2(s)，具体为：其中，(Q
i
,Q
i+1
)为路径s的序列点集，θ(Q
i
,Q
i+1
)为所述消毒机器人在Q
i
与Q
i+1
这两点之间的旋转角度，h为所述消毒机器人的总旋转次数。6.根据权利要求5所述的考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法，其特征在于，所述步骤S3中的能量消耗代价函数C3(s)，具体为：其中，E1为所述消毒机器人从上一个消毒目标的结束点到当前消毒目标的起始点之间的行驶过程中的能量消耗系数，E2为所述消毒机器人在消毒目标中的行驶及消毒过程中的能量消耗系数，E3为所述消毒机器人在旋转时的能量消耗系数。7.根据权利要求6所述的考虑多目标优化的消毒机器人路径规划方法，其特征在于，所述步骤S3中的路径覆盖率代价函数C4(s)，具体为：其中，p为消毒目标的点集，Q
i<...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋立青，蒋立宇，王欢，涂文章，董建华，刘超，蒋祥兵，朱陈燕，罗佩，
申请(专利权)人：武汉市肺科医院，
类型：发明
国别省市：