[发明专利]一种高铁巡检机器人的路径规划方法及系统

权利要求书

1.一种高铁巡检机器人的路径规划方法，其特征在于，包括：

获取高铁站的环境信息，根据所述环境信息构建点云地图，其中，所述点云地图中包含静态障碍物点云和动态障碍物点云；

提取所述静态障碍物点云，根据所述静态障碍物点云构建2D栅格地图，并在所述2D栅格地图中使用改进的算法进行全局路径规划，生成全局最优路径，其中，所述在所述2D栅格地图中使用改进的算法进行全局路径规划，生成全局最优路径包括：

设置最大迭代次数；

采用自适应采样函数约束初始路径生成之前的采样空间；

根据预设的混沌算法在所述采样空间中生成随机采样节点，其中所述混沌算法的Logistic映射的表达式为：

，

式中，为控制参数，为下一个混沌矢量，为当前混沌矢量，为矢量索下标，为矢量总数；

从起始点生长的树Tree1开始，在所述采样空间中以目标点为临时目标点，根据混沌序列生成一个有效采样节点，在树Tree1找到新节点，对新节点进行碰撞检测，如果不发生碰撞则将生成的树枝和节点加入树Tree1；再从目标点生长的树Tree2开始，在所述采样空间中以树Tree1中新节点为临时目标点，根据混沌算法生成另一个有效采样节点，在树Tree2找到新节点，对新节点进行碰撞检测，如果不发生碰撞则将生成的树枝和节点加入树Tree2，树Tree1和树Tree2向着彼此的方向生长，直至连接成初始路径；

根据重选父节点函数和剪枝函数对随机树的节点与树枝进行优化，其中，优化过程包括：重选父节点函数，当新找到的节点加入随机树后，以节点为圆心形成一个圆，计算圆中覆盖的节点与节点的距离，并将距离最短的节点与节点连接起来，将距离最短的节点与节点加入随机树；当节点已经加入随机树，在圆中寻找是否有其他节点与节点连接之后，形成到起始节点的新路径，比与父节点相连时路径短，若存在就将其他节点与节点相连，将其他节点与父节点之间的树枝去除；

通过启发式采样函数，将所述初始路径后的采样空间限制在一个椭圆采样空间内部；

根据融合贪心算法选择出在当前状况下的最优父节点，进行碰撞检测，生成去冗余路径；

考虑巡检机器人的运动学特性，融合B样条曲线对所述去冗余路径进行平滑性约束，得到全局最优路径，其中，得到全局最优路径的过程具体包括：将去冗余路径的关键点作为B样条曲线基函数控制点，生成曲率连续的平滑路径；设存在n+1个控制点，k阶B样条曲线定义为：

，

，

式中，为B样条曲线函数，为k次B样条基函数，为组合数，计算方式为， 为节点向量，为B样条的幂次，为次B样条基函数的数量，为k次B样条基函数的系数；

采用三次 B样条曲线函数平滑约束去冗余路径，并融合障碍物碰撞检测函数，得到全局最优路径，其中，三次 B样条曲线函数的表达式为：

，

式中，为改进三次B样条曲线函数，为障碍物评价系数，为障碍物的边缘与路径之间的夹角；

对巡检机器人进行运动学建模，并基于改进的DWA算法控制所述巡检机器人在沿着所述全局最优路径巡检时躲避局部动态障碍物，使得到最终巡检路线，其中，得到最终巡检路线过程具体包括：

在全局化时生成的栅格地图上加入动态障碍物信息，同时将全局最优路径中的个路径点坐标存入集合中，并根据预设选取公式在集合中选取预设个数的路径点作为局部路径规划的临时目标点；

通过调节左右轮驱动速度来控制巡检机器人沿着局部路径规划的临时目标点移动，并对巡检机器人进行运动学建模，其中，运动学建模中包含巡检机器人的最大速度、最大加速度、线速度和角速度；

融合人工势场算法，给局部动态障碍物增加斥力场，约束巡检机器人的最大速度和最大加速度；

根据获取的动态障碍物信息预测动态障碍物的速度和航向，根据所述动态障碍物的速度和航向优化巡检机器人的线速度和角速度；

根据改进的DWA算法的评价函数控制所述巡检机器人在沿着所述全局最优路径巡检时躲避局部动态障碍物，使得到最终巡检路线，其中所述评价函数的表达式为：

，

式中，为方位角评价子函数，为距离评价子函数，为速度评价子函数，为能耗评价子函数，为转弯评价子函数，为平滑函数，分别为方位角评价子函数的加权系数、距离评价子函数的加权系数、速度评价子函数的加权系数、能耗评价子函数的加权系数，为转弯评价子函数的加权系数；

其中，方位角评价子函数的表达式为：

，

，

式中，为修正系数，为权值，为巡检机器人位置指向目标角度，为巡检机器人的朝向，为时间间隔个数，为系数，为移出距离，为取整函数；

距离评价子函数的表达式为：

，

式中，为巡检机器人距离障碍物的最小距离，为距离修正系数，R为巡检机器人半径；

速度评价子函数的表达式为：

，

，

式中，为线速度评价系数，为角速度评分，分别为巡检机器人第t-2时刻、第t-1时刻和第t时刻的角速度，均为速度评价系数，为角速度评价权值；

能耗评价子函数的表达式为：

，

式中，为巡检机器人第i个采样点的线速度，为巡检机器人第i个采样点的角速度；

转弯评价子函数的表达式为：

，

式中，为转弯评价权值。