【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于智能控制，具体涉及一种全覆盖最优路径动态规划方法、系统、设备及可读存储介质。
技术介绍
1、随着社会的不断发展，人民的生活水平日益提高，移动机器人的应用领域逐渐从军事、工业等领域逐渐向农家、家庭等领域不断扩展。移动机器人相关技术的研究中，作为实现机器人自主运动的核心技术之一，路径规划得到了广泛的研究。路径规划相关研究中，按照所得路径的特点，路径规划可以分为“点到点”和“全覆盖”两类。前者可以应用于自动驾驶、物流运输等领域，后者可以应用于地板清洁、草坪割草机、排雷机器人和水下搜索等需要遍历某一区域的场景。
2、随着扫地机器人、农业机器人等机器人需求不断扩大，全覆盖路径被广泛研究，全覆盖路径是指机器人需要遍历工作区域中除障碍物以外的所有区域的路径，全覆盖最优路径则是需要机器人在遍历过程中有效避免所有障碍物的同时，考虑移动距离、转向次数、掉头次数等多因素的代价最小路径，能够有效解放劳动力的同时，提高机器作业效率。然而，该问题属于一种变维度的排列组合问题，属于一类np难问题，因此，亟需一种全覆盖最优路径规划方法。
3、现有全覆盖路径规划方法主要基于a*、遗传算法、蚁群算法等启发式算法。然而，在考虑转向、掉头等附加的惩罚的同时，算法中的变维度路径节点也大大加大了算法的难度。因此，这类启发式算法难以找到最优的全覆盖路径。此外，大部分全覆盖路径中属于全局路径的静态规划，然而，当前进途中遇到新出现的障碍物或者在地图中原有的障碍物消失时，现有的方法则难以实时做出路径改变。
4、因此，如何在扫地机器
技术实现思路
1、本专利技术就综合考虑移动路径、转向、掉头次数，如何动态规划全覆盖最优路径问题，提出一种全覆盖最优路径规划方法、系统、设备及可读存储介质，在初始地图信息的基础上，规划全局最优群覆盖路径，即从起点出发有效避免所有障碍物的同时，考虑移动距离、转向次数、掉头次数等多因素的代价最小路径。在机器人沿着规划路径前进的同时，不断更新地图信息，并实现动态规划剩余未覆盖区域的全覆盖最优路径。
2、为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种全覆盖最优路径规划方法，包括以下步骤：
3、步骤一：获取地图信息；
4、步骤二：建立标签双petri网模型；
5、步骤三：建立数学模型；
6、步骤四：建立整数线性规划模型；
7、步骤五：求解整数线性规划模型，实现动态全覆盖路径规划方法。
8、所述的步骤一具体为：获取作业区域当前地图信息，并将地图栅格化为h行l列的栅格地图，将栅格地图依照从左到右、从上至下的顺序依次给栅格标号v1，v2，v3，...，vh×l，并用集合v＝{v1，v2，v3，...，vh×l}表示栅格节点集合，其中h×l表示地图中栅格个数。
9、所述的步骤二具体为：根据栅格阶段顺序v1，v2，v3，...，vh×l依次建立petri网模型结构，每个节点vi用库所pi表示，依次检索节点vi的邻接节点vj，若节点vi和邻接节点vj在petri网中对应的库所pi和库所pj之间没有连接关系，则在其之间添加两个反向关系的变迁tx和变迁ty，即prer(pi，tx)＝1，postr(pi，ty)＝1，prer(pj，ty)＝1，postr(pj，tx)＝1，在该部分将建立h×l个库所，以及4×h×l-2×h-2×l个变迁，由此建立petri网nr＝(pr，t，prer，postr)；
10、建立变迁触发计数库所：对于每一对反向关系的变迁tx和变迁ty，建立库所pf来实现对他们触发次数的计数，即postd(pf，tx)＝1，postd(pf，ty)＝1，通过该结构关系，实现变迁tx和变迁ty，库所pf会多一个托肯，在该部分建立2×h×l-h-l个库所，由此建立petri网nd＝(pd，t，pred，postd)；
11、建立变迁的标签向量e＝[e1，e2，...，e4×h×l-2×h-2×|]，其中ei∈{0，1}，i＝1，2，...，4×h×l-2×h-2×l，ei的值根据如下依据取值：
12、
13、建立变迁的距离向量w＝[w1，w2，...，w4×h×l-2×h-2×l]，其中wi表示变迁ti对应的移动距离；
14、建立petri网nr初始标识表示各个节点中包含机器人的数量，具体的：
15、
16、建立petri网nd初始标识在初始状态该向量为0向量。
17、所述的步骤三具体为：
18、假定机器人只能一平均速度v横向或者纵向移动，机器人每次转向90°所需时间为q1，每次掉头(转向180°)所需时间为q2，机器人从节点vi移动到节点vj的过程中共转向x1次，掉头x2次，直线运动的总路程长度为l，则该次移动所需的总时间为如下数学模型表示为如下模型：
19、
20、若该段时间均以平均速度v做直线运动，则可移动距离为：
21、l′＝v×time＝l+v×q1×x1+v×q2×x2 (2)
22、记q1＝v×q1，q2＝v×q2，则等效路径长度为：
23、l′＝l+q1×x1+q2×x2 (3)
24、由于v和q1、q2的值仅与机器人的自身性能有关，可由实验测出。当机器人的型号确定后，参数q1和q2即为一个常量；由式(3)计算所得的等效路径长度l′可作为对路径优劣的评价指标。
25、所述的步骤三具体为：根据问题描述，全覆盖路径规划问题表示为如下模型：
26、目标函数：min l′＝l+q1×x1+q2×x2
27、约束：
28、通过petri网，上述问题可以转化为如下数学模型：
29、目标函数：
30、其中，h表示机器人移动步数；
31、约束条件1：该约束为petri网的状态方程，表达的是标识与变迁触发向量σi之间的关系，具体表示了机器人所在节点和移动动作的关系，其中变迁触发向量σi＝[σi(t1)，σi(t2)，...，σi(t4×h×l-2×h-2×l)]，具体的：
32、
33、约束条件2：类似的，该约束为petri网的状态方程，表达的是标识与变迁触发向量σi之间的关系，具体表示了对应变迁的触发数量；
34、约束条件3：该约束是petri网变迁发射的正确性约束，保证了发射变迁前该变迁的前置库所中存在托肯，约束了发生变迁的条件；
35、约束条件4：1t×σi＝1，i＝1，2，...，h；该约束约束了列向量σi中仅能有一个元素为1，这表示每次机器人仅能移动一步；
36、约束条件5：该约束约束了变量与迁触发向量σi+1和σi的关系，若e·σ＝1，则表示机器人该步移动为横向移动，若e·σ＝0本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种全覆盖最优路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的全覆盖最优路径规划方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：获取作业区域当前地图信息，并将地图栅格化为h行l列的栅格地图，将栅格地图依照从左到右、从上至下的顺序依次给栅格标号V1，V2，V3，...，Vh×l，并用集合V＝{V1，V2，V3，...，Vh×l}表示栅格节点集合，其中h×l表示地图中栅格个数。
3.根据权利要求2所述的全覆盖最优路径规划方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：根据栅格阶段顺序V1，V2，V3，...，Vh×l依次建立Petri网模型结构，每个节点Vi用库所pi表示，依次检索节点Vi的邻接节点Vj，若节点Vi和邻接节点Vj在Petri网中对应的库所pi和库所pj之间没有连接关系，则在其之间添加两个反向关系的变迁tx和变迁ty，即Prer(pi，tx)＝1，Postr(pi，ty)＝1，Prer(pj，ty)＝1，Postr(pj，tx)＝1，在该部分将建立h×l个库所，以及4×h×l-2×h-2×l个变迁，由此建立Petri网Nr＝(Pr，T，Prer
4.根据权利要求3所述的全覆盖最优路径规划方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：
5.根据权利要求4所述的全覆盖最优路径规划方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：根据问题描述，全覆盖路径规划问题表示为如下模型：
6.根据权利要求5所述的全覆盖最优路径规划方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：
7.根据权利要求6所述的全覆盖最优路径规划方法，其特征在于，所述的步骤五具体为：
8.一种全覆盖最优路径规划方法系统，其特征在于，包括：
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种全覆盖最优路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的全覆盖最优路径规划方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：获取作业区域当前地图信息，并将地图栅格化为h行l列的栅格地图，将栅格地图依照从左到右、从上至下的顺序依次给栅格标号v1，v2，v3，...，vh×l，并用集合v＝{v1，v2，v3，...，vh×l}表示栅格节点集合，其中h×l表示地图中栅格个数。
3.根据权利要求2所述的全覆盖最优路径规划方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：根据栅格阶段顺序v1，v2，v3，...，vh×l依次建立petri网模型结构，每个节点vi用库所pi表示，依次检索节点vi的邻接节点vj，若节点vi和邻接节点vj在petri网中对应的库所pi和库所pj之间没有连接关系，则在其之间添加两个反向关系的变迁tx和变迁ty，即prer(pi，tx)＝1，postr(pi，ty)＝1，prer(pj，ty)＝1，postr(pj，tx)＝1，在该部分将建立h×l个库所，以及4×h×l-2...
【专利技术属性】
技术研发人员：施威杰，孙康康，王桐，邱剑彬，罗姗，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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