[发明专利]一种检修机器人避碰规划方法

说明书

技术领域

本发明属于传感探测领域，特别涉及一种基于激光测距数据来构建极坐标柱状图以解决势场法容易陷入局部最小值并频繁震颤的问题，克服增强式矢量场法在阈函数构造中未考虑机器人实时速度的缺点的检修机器人避碰规划方法。

背景技术

面对日益严峻的能源形势，当今世界各国政府都开始积极发展核电。众所周知，核电区别与火电的最大特点是核反应会产生电离辐射和放射性废物。为避免发生事故导致放射性物质进入环境，定期检修就显得至关重要。然而最关系到核安全的反应堆堆芯因电离辐射强度过高被隔离，人员无法进入，于是核工业机器人应运而生。核工业机器人最早于20世纪50年代开始使用，后逐渐发展成为遥控机器人。运用核工业机器人可以减少操作者在各种检查和维护处理中所受的核辐射剂量，并可以提高监控能力，避免替换发电设备，降低运营成本。

适用于核工业的机器人主要有以下几个特征：具备较强的可移动性，能够穿越和绕过障碍物；装备各种摄像机和传感器，有很好的侦察能力；可以快速到达操作地点，具备良好的机动性；具有双向控制器，可以快速将状态反馈给操作者；具有很好的力反馈，能够保护操作对象。随着机器人技术的发展，自主机器人将逐渐代替人工操作。

怎样使检修机器人通过携带传感器自主完成无碰作业并安全抵达指定区域的问题是典型的避碰规划问题。考虑到核电站事故情况下安全壳内充满高温高压蒸汽能见度极差，光学传感器及超声波传感器无法发挥作用使用，因而选择抗干扰能力较强的激光测距仪。本发明基于激光测距技术，对动态避障算法进行研究，以求实现实时高效安全可靠的检修机器人动态避碰。

目前，国内外已有多种方法用于实现机器人动态避碰，其中人工势场法和矢量场法在近些年受到了越来越广泛的关注。可是除了算法自身的缺陷（如人工势场法无法穿越紧密分布的障碍物群，矢量场法计算量大且计算过程复杂导致算法实时性差），他们也没有考虑机器人的实时速度，或其环境建模方式只适用于装有低精度传感器（例如超声传感器）的机器人进行避碰规划。因此，这些规划方法难以满足检修机器人的工程实际应用需求。

为了解决以上常用避碰方法存在的问题，并进一步满足检修机器人在现场作业中的避障需求，给出极坐标柱状图法，该方法明显减少了计算，更适合用于激光测距仪避障。同时，通过在阈函数构造中考虑机器人速度和加速度，从而保证了检修机器人能够以较快的速度安全移动。

文献《VPH+:An Enhanced Vector Polar Histogram Method for Mobile Robot Obstacle Avoidance》提到了相近的技术。但该文献认为障碍通常由一系列的障碍点构成，彼此距离很近的障碍点视为一个障碍集。根据每个障碍集之间的几何关系，将障碍集归类划分为凹集或凸集，凹集意味着该集合内的障碍点离机器人较近，因此凹集所在位置对应的方向不作为机器人行进的可选方向；相反凸集内的障碍点离机器人相对较远，其所在位置对应的方向作为机器人行进的可选方向。该方法在处理时虽然提高了筛选机器人可行进方向的效率，但是事实上凹集内仍然可能存在机器人行进过程中不会发生碰撞的障碍点，而根据该文献方法，这部分障碍点所在位置对应的方向也被划入机器人不可行进的范围，因此凹集的定义并非严密；而本发明在处理时，将机器人到每个方向上障碍点的距离分别与定义的安全距离（保证机器人在以确定速度行进时不会与障碍发生碰撞）依次进行比较，这样就不会遗漏机器人可行进方向的候选解。其二，该文献在定义代价函数时，选取障碍方向与目标方向的夹角作为机器人趋向目标的限制引导项，从分析看选取该夹角所起的限制作用并不明显；而本发明在定义代价函数时，直接选取机器人当前行进方向与目标方向的夹角作为机器人趋向目标的限制引导项，该夹角变量的意义更加明确，作用更为突出。其三，该文献在选取最佳行进方向时，在行进角度范围内进行代价函数值的计算和比较，因而计算量较大；而本发明通过二维柱状图的直观分析，首先选取候选行进方向，然后在候选行进方向中进行代价函数值的计算和比较，所以计算量明显较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算量更小、反应速度更快、实用性更高的基于激光测距数据来构建极坐标柱状图的检修机器人避碰规划方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）建立极坐标柱状图：

激光测距仪探测障碍物与检修机器人的距离，并将测得的距离分布信息传给微型计算机，用极坐标下的柱状图表示，x轴表示激光束的序号，y轴表示该探测方向上的障碍物距离；

（2）通过阈函数简化极坐标柱状图：

建立机器人运动方程，