用于确定针对移动设备的轨迹的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于确定轨迹

【技术实现步骤摘要】
用于确定针对移动设备的轨迹的方法


[0001]本专利技术涉及一种用于确定轨迹的方法、计算单元和用于执行该方法的计算机程序以及移动设备，其中移动设备、例如机器人或至少部分自动移动的运输工具应沿着所述轨迹而在环境中移动。

技术介绍

[0002]移动设备、例如至少部分自动移动的运输工具或机器人通常沿着轨迹或移动路径而在环境中、例如住宅、花园、厂房中或街道上、空中或水中移动。为此，所述轨迹例如被如此规划或确定，使得在要到达特定目的地的情况下所述轨迹尽可能短。在此应该考虑到在该环境中的障碍物或者说对象。

技术实现思路

[0003]根据本专利技术，提出一种具有独立专利权利要求的特征的用于确定轨迹的方法、计算单元以及用于执行该方法的计算机程序以及移动设备。有利的设计方案是从属权利要求和以下描述的主题。
[0004]本专利技术涉及在环境中沿着轨迹移动或应沿着轨迹移动的移动设备。在这种情况下，轨迹包括具有移动设备的位置和/或取向的移动路径，并且附加地包括例如这些位置和/或取向应适用的时间点；因此还预给定了沿该移动路径或在该移动路径上的特定速度。该速度也可以沿着该移动路径变化，例如在曲线上比在直线区段上速度更小。针对此类移动设备的示例例如是机器人和/或无人机和/或是部分或(完全)自动地(在陆地、水上或空中)移动的运输工具。作为机器人例如可考虑家用机器人，例如吸尘和/或扫地机器人、地面或道路清洁设备或割草机器人，但也可以考虑其他所谓的服务机器人，作为至少部分自动移动的运输工具，例如客运车辆或货运车辆(也即，所谓的陆地运输车，例如在仓库中，也可以是自动叉车)，还可以是飞机，例如所谓的无人机，或者是船舶。
[0005]对移动路径、特别是轨迹的确定，即针对移动设备、例如机器人的移动规划问题虽然常被研究，但仍有一些方面没有被解决，或者没有被完全或充分地解决，只不过因为这些问题几乎可以变得任意地复杂。例如工业上的当前和未来的要求包括：支持各种类型的机器人运动学装置，考虑动态特性和边界条件，规划人与人之间的轨迹并智能响应他们的动作，并与环境中或工作区域中的其他移动设备相协调。
[0006]例如，模型预测控制(MPC)和其他基于数值优化的方法可用于实现一定的灵活性。例如，在MPC的范畴内，对预测模型的明确考虑提供了一个自然接口，用于适配于不同的有运动学和动态特性。它还可以对自主演化的环境进行建模(例如，基于关于其他运输工具、人和机器的移动的预测)甚至对交互进行显式(explizit)建模。
[0007]原则上，可以考虑将各种基于MPC的方法用于导航。例如，这里可以考虑随机系统，并且可以优化任何非线性、非凸的成本函数。然而，由于它们的随机本质，很难实现可靠和均衡的行为。
[0008]在此背景下建议：首先提供移动设备应该移动到的目的地(特别是环境内的全球目的地)，以及提供移动设备的当前位置和/或取向(所谓的位姿)，以及此外提供环境信息，所述环境信息特别包括移动设备到环境边界和/或环境中的障碍物的距离；这样的环境信息可以包括例如点集合(或点云)，其说明移动设备(或设备的相应传感器)到环境边界(例如墙壁)和/或环境中的障碍物(例如环境内的静态或移动对象)的距离，其中所述点集合特别是已经通过激光和/或激光雷达，即例如激光和/或激光雷达传感器所获得的。替代或附加于该目的地，还可以提供参考路径，该移动设备应沿着该参考路径或沿该方向(至少近似地)移动。
[0009]基于环境信息，然后确定环境内的移动范围，所述移动范围从移动设备的当前位置向目的地和/或参考路径的方向延伸，并且在所述移动范围内特别是对于移动设备而言没有障碍物。该移动范围不必延伸到目的地，而是例如也可以仅局部地覆盖直到目的地的部分可能路径。这样的移动范围例如也可以被称为隧道，因为它不包括任何障碍物，而是该设备可以或多或少地直接在其中移动。特别地，移动范围也可以是动态的或允许一定偏差，例如，如果在该环境中存在移动障碍物的话。优选地基于环境的至少一部分的Voronoi(沃罗诺伊)图来进行移动范围的确定。而Voronoi图又可以特别是基于环境的网格和/或单元格表示(Zellendarstellung)而确定。
[0010]作为Voronoi图，也称为泰森多边形或狄利克雷分解，而表示：将空间(在此为环境或环境的一部分)分解为通过预给定的空间点集合(也称为中心)所确定的多个区域。每个区域由恰好一个中心确定，并且包括如下空间点，这些空间点关于欧几里得度量方面与任何其他中心相比要更接近于该区域的中心。这样的区域也称为Voronoi区域。由所有具有不止一个的最近中心并因此形成这些区域的边界的点而产生Voronoi图。
[0011]在该移动范围内并且基于移动设备的当前位置和/或取向，然后确定如下轨迹(所述轨迹也包括移动路径)，其中所述移动设备应沿着所述轨迹而移动。所述轨迹在此从移动设备的当前位置向目的地方向延伸或(沿)参考路径延伸。在这里，轨迹也不必到达目的地或覆盖整个参考路径，特别是不必到达移动范围的边缘或末端，而是也可以例如仅局部地覆盖到达目的地的可能路径的一部分。即，优选地，可以通过重复应用该过程，尤其是在移动设备的相应移动之后，可以逐步地确定直到目的地的轨迹或沿着参考路径而确定所述轨迹。特别地，轨迹还可以考虑移动设备的移动属性，例如该移动设备是否可以原地掉头，还是例如需要一定的运动半径才才能回转。此外，轨迹可以或多或少在移动范围内被自由确定(即不必在其中间)，但是可以例如基于参考路径(例如特定车道)而给予限制。
[0012]基于轨迹，移动控制变量(例如用于驱动系统的操控变量，例如力矩、转向规定(Lenkvorgabe)等)然后可以针对该移动设备而被确定并且被提供，特别是，所述移动设备也可以基于所述移动控制变量而被控制。对此，例如可以设置控制和/或调节单元以操控驱动系统。
[0013]因此提出了一种方法，该方法根据当前可用数据确定移动范围(隧道)，特别是在一次性动作中确定移动范围，其方式为，其例如在Voronoi图上或在Voronoi图中寻找一条路径(或可能的多条路径)由此而立即提供最广移动范围。特别是，当使用MPC策略时，还可以进行反应式和鲁棒的避障，并且同时计算沿着该路径的根据特定标准优化的速度曲线，即轨迹。
[0014]作为考虑上述方法的出发点，可以考虑常微分方程(Differentialgleichungen)的集合，例如：
[0015][0016]其描述要被控制的移动设备的运动学或动力学，其中x和u表示该系统的状态或输入。原则上，在此可以假设：移动设备在平面或二维的环境中移动或在那里导航，其中，由移动设备的状态而明确定义该移动设备的位姿。然而，这也可以转用到三维环境中。
[0017]移动设备的目标是：导航或移动到预给定的目的地。也可以给出到目的地的参考路径。在这种情况下，不必完全遵循整个参考路径，例如，如果该参考路径通过障碍物而引导。然而，针对该说明可以假设：可以在没有碰撞的情况下到达目的地。
[0018]这样的参考路径可以特本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于确定轨迹(124)的方法，移动设备(110)，特别是机器人、无人机或至少部分自动移动的运输工具应沿着所述轨迹(124)而在环境(100)中移动，所述方法包括：提供(300)所述移动设备应该移动到的目的地(122)和/或所述移动设备移动应沿着的参考路径(140)、所述移动设备的当前位置和/或取向(120)以及环境信息(116)，所述环境信息特别是包括所述移动设备到所述环境的边界和/或所述环境中的障碍物(104)的距离；基于所述环境信息而确定(320，330，340，350)所述环境内的移动范围(130)，所述移动范围从所述移动设备的当前位置向目的地和/或参考路径的方向延伸，以及在所述移动范围中特别是对于所述移动设备而言没有障碍物；和在所述移动范围内并基于所述移动设备的当前位置和/或取向而确定(360)轨迹(124)，所述轨迹从所述移动设备的当前位置向目的地和/或参考路径的方向延伸。2.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述环境的至少一部分的Voronoi图来确定所述移动范围，其中所述Voronoi图特别是基于所述环境的网格和/或单元格表示而确定。3.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述移动范围包括：将所述移动设备的所述当前位置投影(320)到所述Voronoi图上；在Voronoi图中确定(330)从所述移动设备的当前位置向所述目的地和/或所述参考路径方向的路径；在考虑到所述移动设备的尺寸的情况下，在所述路径的起点和/或所述路径的终点处扩展(340)Voronoi图中的路径；和基于所述Voronoi图中的路径而确定(350)所述移动范围，特别是通过B样条参数化而确定所述移动范围。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在基于模型的、优选地模型预测的控制的范畴内确定所述轨迹(124)。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：N，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：