一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法

摘要

本发明公开了一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法，属于变电站巡检技术领域，该方法包括：获取变电站全场景的点云模型；从点云模型中呼气点云数据并创建二维栅格化的高度地图的矩阵；在高度地图中初步标注障碍区域；计算高度地图在x、y轴方向上的梯度矩阵；对x、y轴方向上的梯度矩阵进行障碍区域判断，并标记；合并前述的障碍区域，生成障碍空间地图矩阵；根据Dijkstra与RRT相结合的路径规划方法，结合障碍空间地图矩阵，生成最终路径。利用Dijkstra算法在“图”环境中快速生成全局最优路径，并考虑实际情况的障碍空间地图，利用RRT验证并生成实际可行路径，保证机器人的通过性。

说明书

技术领域

本发明涉及变电站巡检技术领域，特别涉及一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法。

背景技术

在变电站巡检场景中，使用机器人巡检代替人工巡检是一种趋势，不仅可以节约人力成本，在实时性和安全性上也会有很大提高。但室外变电站随着时间的推移，会造成路面起伏不平整等问题，使巡检现场环境复杂。某些路段可能超出机器人的越障和爬坡能力，人为标注这些区域费时费力，也不免疏漏。为了减轻人力，提高机器人路径规划效率，需在规划前先完成地形的自动识别，自动计算可行的运动区域，在此基础上完成路径规划。

发明内容

本发明实施例提供了一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法，以至少解决相关技术中未室外变电站复杂环境造成移动机器人巡检不便的技术问题。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法，包括：

步骤S1、通过激光雷达完成对室外变电站数字孪生模型的扫描，得到变电站全场景的点云模型；

步骤S2、从所述点云模型中截取一定高度范围内的点云数据，并创建二维栅格化的高度地图的矩阵，矩阵每个元素取矩阵对应位置区域内点云高度的中值；

步骤S3、在高度地图中初步标注障碍区域；

步骤S4、计算高度地图在x、y轴方向上的梯度矩阵；

步骤S5、对x、y轴方向上的梯度矩阵进行障碍区域判断，并标记；

步骤S6、合并步骤S3与步骤S5的障碍区域，生成障碍空间地图矩阵；

步骤S7、根据Dijkstra与RRT相结合的路径规划方法，结合障碍空间地图矩阵，生成最终路径。

可选地，步骤S3中的障碍区域包括草地和大型变电设备。

可选地，高度地图在x、y轴方向上的梯度矩阵的表达式为：

其中，f

可选地，对x、y轴方向上的梯度矩阵进行障碍区域判断，并标记，包括：对x、y轴方向上的梯度矩阵的元素的绝对值与阈值进行对比判断，当x、y方向上梯度矩阵的某元素的绝对值大于设定的阈值时，则标记对应区域为障碍区域。

可选地，所述对比判断的表达式为：

其中，M

可选地，根据Dijkstra与RRT相结合的路径规划方法，结合障碍空间地图矩阵，生成最终路径，包括：

步骤S71、在无向图中，将变电站现场岔路口标记为节点，并将相邻两个节点之间的道路标记为边，并赋予权重；

步骤S72、通过Dijkstra寻找出一条总权重最小的路线；

步骤S73、对Dijkstra规划的路线中的每一段路线进行RRT路径规划，若无解，则删除此段路线对应的边；

步骤S74、重复步骤S72、S73直至规划出无障碍最优路段，拼接每一段无障碍最优路段，得到最终路径。

可选地，所述权重为距离，总权重为总距离。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划装置，包括：

点云模型模块，用于通过激光雷达完成对室外变电站数字孪生模型的扫描，得到变电站全场景的点云模型；

栅格数据处理模块，用于从所述点云模型中截取一定高度范围内的点云数据，并创建二维栅格化的高度地图的矩阵，矩阵每个元素取矩阵对应位置区域内点云高度的中值；

一次障碍区域标注模块，用于在高度地图中初步标注障碍区域；

二次障碍区域标注模块，用于计算高度地图在x、y轴方向上的梯度矩阵；对x、y轴方向上的梯度矩阵进行障碍区域判断，并标记；

障碍空间地图矩阵生成模块，用于合并一次障碍区域标注模块与二次障碍区域标注模块的障碍区域，生成障碍空间地图矩阵；

路径生成模块，用于根据Dijkstra与RRT相结合的路径规划方法，结合障碍空间地图矩阵，生成最终路径。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划系统，所述适用于不平整路面的移动机器人路径规划系统包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器实现上述任意一项所述的适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述任意一项所述的适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例中，通过激光雷达完成对室外变电站数字孪生模型的扫描，得到变电站全场景的点云模型；从所述点云模型中截取一定高度范围内的点云数据，并创建二维栅格化的高度地图的矩阵，矩阵每个元素取矩阵对应位置区域内点云高度的中值；在高度地图中初步标注障碍区域；计算高度地图在x、y轴方向上的梯度矩阵；对x、y轴方向上的梯度矩阵进行障碍区域判断，并标记；合并前述的障碍区域，生成障碍空间地图矩阵；根据Dijkstra与RRT相结合的路径规划方法，结合障碍空间地图矩阵，生成最终路径。通过Dijkstra与RRT相结合的路径规划的框架。利用Dijkstra算法在“图”环境中快速生成全局最优路径，并考虑实际情况的障碍空间地图，利用RRT验证并生成实际可行路径，保证机器人的通过性。所提算法对于移动机器人规划具有重要意义，特别是针对不平整地面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的包含颜色和高度信息的实际地图；

图3是根据本发明实施例的障碍空间地图与其腐蚀的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明实施例，提供了一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1是根据本发明实施例的一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S1、通过激光雷达完成对室外变电站数字孪生模型的扫描，得到变电站全场景的点云模型；

步骤S2、从所述点云模型中截取一定高度范围内的点云数据，并创建二维栅格化的高度地图的矩阵，矩阵每个元素取矩阵对应位置区域内点云高度的中值；

步骤S3、在高度地图中初步标注障碍区域；

步骤S4、计算高度地图在x、y轴方向上的梯度矩阵；

步骤S5、对x、y轴方向上的梯度矩阵进行障碍区域判断，并标记；

步骤S6、合并步骤S3与步骤S5的障碍区域，生成障碍空间地图矩阵；

步骤S7、根据Dijkstra与RRT相结合的路径规划方法，结合障碍空间地图矩阵，生成最终路径。

作为一种可选的实施例，步骤S3中的障碍区域包括草地和大型变电设备等。

作为一种可选的实施例，步骤S4中，高度地图在x、y轴方向上的梯度矩阵的计算表达式为：

其中，f

作为一种可选的实施例，步骤S5中，对x、y轴方向上的梯度矩阵进行障碍区域判断，并标记，具体包括：对x、y轴方向上的梯度矩阵的元素的绝对值与阈值进行对比判断，当x、y方向上梯度矩阵的某元素的绝对值大于设定的阈值时，则标记对应区域为障碍区域。

具体的，所述对比判断的表达式为：

其中，M

对于离散地图，x轴方向上斜率k

作为一种可选的实施例，步骤S7根据Dijkstra与RRT相结合的路径规划方法，结合障碍空间地图矩阵，生成最终路径，具体包括：

步骤S71、在无向图中，将变电站现场岔路口标记为节点，并将相邻两个节点之间的道路标记为边，并赋予权重；

步骤S72、通过Dijkstra寻找出一条总权重最小的路线；

步骤S73、对Dijkstra规划的路线中的每一段路线进行RRT路径规划，若无解，则删除此段路线对应的边；

步骤S74、重复步骤S72、S73直至规划出无障碍最优路段，拼接每一段无障碍最优路段，得到最终路径。

其中，权重为距离，总权重为总距离。

作为一种可选的实施例，图2-3给出了实际地形的障碍空间地图生成与腐蚀，可以看出对于较大起伏区域均标记为障碍空间，并通过图像处理扩大了这一区域。图1给出了此发明的整体流程图。

实施例2

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划装置，该移动机器人路径规划装置应用上述的用于不平整路面的移动机器人路径规划方法，该移动机器人路径规划装置包括：

点云模型模块，用于通过激光雷达完成对室外变电站数字孪生模型的扫描，得到变电站全场景的点云模型；

栅格数据处理模块，用于从所述点云模型中截取一定高度范围内的点云数据，并创建二维栅格化的高度地图的矩阵，矩阵每个元素取矩阵对应位置区域内点云高度的中值；

一次障碍区域标注模块，用于在高度地图中初步标注障碍区域；

二次障碍区域标注模块，用于计算高度地图在x、y轴方向上的梯度矩阵；对x、y轴方向上的梯度矩阵进行障碍区域判断，并标记；

障碍空间地图矩阵生成模块，用于合并一次障碍区域标注模块与二次障碍区域标注模块的障碍区域，生成障碍空间地图矩阵；

路径生成模块，用于根据Dijkstra与RRT相结合的路径规划方法，结合障碍空间地图矩阵，生成最终路径。

作为一种可选的实施例，一次障碍区域标注模块中的障碍区域包括草地和大型变电设备等。

作为一种可选的实施例，二次障碍区域标注模块计算高度地图在x、y轴方向上的梯度矩阵的计算表达式为：

其中，f

作为一种可选的实施例，障碍空间地图矩阵生成模块对x、y轴方向上的梯度矩阵进行障碍区域判断，并标记，具体包括：对x、y轴方向上的梯度矩阵的元素的绝对值与阈值进行对比判断，当x、y方向上梯度矩阵的某元素的绝对值大于设定的阈值时，则标记对应区域为障碍区域。

具体的，所述对比判断的表达式为：

其中，M

对于离散地图，x轴方向上斜率k

作为一种可选的实施例，路径生成模块具体包括：

步骤S71、在无向图中，将变电站现场岔路口标记为节点，并将相邻两个节点之间的道路标记为边，并赋予权重；

步骤S72、通过Dijkstra寻找出一条总权重最小的路线；

步骤S73、对Dijkstra规划的路线中的每一段路线进行RRT路径规划，若无解，则删除此段路线对应的边；

步骤S74、重复步骤S72、S73直至规划出无障碍最优路段，拼接每一段无障碍最优路段，得到最终路径。

其中，权重为距离，总权重为总距离。

本发明不局限于以上的具体实施方式，以上仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例3

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种适用于不平整路面的移动机器人路径规划系统，所述适用于不平整路面的移动机器人路径规划系统包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器实现上述任意一项所述的适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法。

实施例4

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制计算机可读存储介质所在设备执行上述中任意一项的适用于不平整路面的移动机器人路径规划方法。

可选地，在本实施例中，上述计算机可读存储介质可以位于计算机网络中计算机终端群中的任意一个计算机终端中，或者位于移动终端群中的任意一个移动终端中，上述计算机可读存储介质包括存储的程序。

可选地，在程序运行时控制计算机可读存储介质所在设备执行以下功能：步骤S1、通过激光雷达完成对室外变电站数字孪生模型的扫描，得到变电站全场景的点云模型；步骤S2、从所述点云模型中截取一定高度范围内的点云数据，并创建二维栅格化的高度地图的矩阵，矩阵每个元素取矩阵对应位置区域内点云高度的中值；步骤S3、在高度地图中初步标注障碍区域；步骤S4、计算高度地图在x、y轴方向上的梯度矩阵；步骤S5、对x、y轴方向上的梯度矩阵进行障碍区域判断，并标记；步骤S6、合并步骤S3与步骤S5的障碍区域，生成障碍空间地图矩阵；步骤S7、根据Dijkstra与RRT相结合的路径规划方法，结合障碍空间地图矩阵，生成最终路径。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM,Read-0nlyMemory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccessMemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。