[发明专利]一种基于图形变换的人工势场避障方法

说明书

一种基于图形变换的人工势场避障方法，涉及路径规划技术领域，针对现有技术中人工势场法构造的合力场中存在局部极小值点，引发局部最优解使目标点不可达的问题，本发明解决了人工势场法容易产生局部极小值点从而产生局部最优解进而导致目标点不可达的问题。将形态学中的凸包概念应用到人工势场避障方法的障碍物处理中。这一应用以本发明提出的一种专门设计的坐标映射方法为前提，结合两项创新，从理论层面避免了局部极小值点的产生，使目标点可达，具有独创性。该方法相较于其它解决方法原理更加清晰，实现方式更加简单。

技术领域

本发明涉及路径规划技术领域，具体为一种基于图形变换的人工势场避障方法。

背景技术

人工势场法是一种应用较为广泛的路径规划方法，其基本思想是在空间中构建一个虚拟力场，使运动对象与目标点之间存在引力，同时与障碍物之间存在斥力，运动对象沿着引力和斥力合力的方向运动，从而躲避障碍物，直至抵达目标点。

人工势场法存在一些缺陷，如中国发明专利CN110209171A中就存在运动对象在移动过程中易陷入势场局部极小点的问题，此时运动对象受到的合力为0停止移动，导致目标点不可达。因此如何消除合力场中的局部极小值点，是人工势场法能够适应更多复杂应用场景的关键性问题。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中人工势场法构造的合力场中存在局部极小值点，引发局部最优解使目标点不可达的问题，提出一种基于图形变换的人工势场避障方法。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于图形变换的人工势场避障方法，包括以下步骤：

步骤一：获取包含起点，目标点以及障碍物位置和障碍物形状的平面地图；

步骤二：将平面地图以目标点为圆心的引力势场等势线展开，并进行坐标映射；

步骤三：将坐标映射后的新平面地图中的障碍物进行膨胀操作；

步骤四：将膨胀后的新平面地图中非连通的障碍物分别进行提取；

步骤五：将提取到的障碍物分别构建凸包；

步骤六：以障碍物的凸包的包络范围,即凸壳，替换坐标映射后的平面地图中的障碍物；

步骤七：将障碍物替换后的平面地图进行逆映射；

步骤八：将引力函数和斥力函数应用到逆映射后的平面地图中构建合势场；

步骤九：找到从起点沿合势场梯度下降最快的方向到达目标点的路径，即为期望路径。

进一步的，所述坐标映射的映射关系为：

其中x_max为平面地图的高，y_max为平面地图的宽，(x，y)为平面地图中待映射坐标点，I_(x，y)为平面地图上点(x，y)的像素值，x_g和y_g为目标点的横坐标和纵坐标，和为映射后平面地图中与(x，y)对应的坐标点的横坐标和纵坐标，R_max为平面地图上距目标点最远的点与目标点之间的距离。

进一步的，所述凸包根据Graham法或Jarvis步进法构建。

进一步的，所述平面地图为400乘400的二值图像。

进一步的，所述逆映射的公式为：

进一步的，所述引力势场函数表示为：