索晨杰--移动机器人局部障碍感知与路径规划

,报告人,索晨杰,指导老师,管贻生,移动机器人局部障碍感知与路径规划系统研究,施志东(企业),01,选题背景和意义,01,选题背景和意义,移动机器人对周围环境的感知与局部的路径规划也成为当今研究与应用领域的一大热点问题。无论是学校还是企业都在深耕这一块的技术。自主移动机器人对于周边环境的精确感知也是局部路径规划的重要前提。自主移动机器人对所处环境的理解程度决定了其自主完成运动规划等任务的可能性,尤其在具有较多障碍物与复杂地形的环境。提高机器人对环境的感知能力，是让机器人运动更智能的一个有效途径。,02,国内外研究现状,02,国外研究现状,国外对于移动机器人感知与规划的研究起步很早，斯坦福在1968年研制的自主机器人shakey，就已经能在一般的环境下完成一些简单的自主推理、自主规划和控制的功能。1997年火星车“索杰纳”成功登陆火星，该移动机器人安装了视觉、激光等传感器，它使用了基于动态D*算法的路径规划方法，在未知的环境中能够敏捷迅速躲避障碍物和按计划移动。2002年美国iRobot公司研制了经济实用的iRobot扫地机器人，该机器人能够自主在室内躲避家居障碍完成清扫任务。2012年KivaSystems公司的移动机器人Kiva具备先进的仓库移动机器人系统，该机器人使用了磁导航和视觉导航等导航方法，在仓库中可以迅速、准确的运送和抓取货物，同时依据客户订单可以在第一时间分派货物。,02,国内研究现状,国内对于移动机器人的感知与规划的研究则起步的比较晚，但目前机器人技术的发展已引起我国科技界的高度重视。国内具有代表性的移动机器人还有中科院研制的灵蜥系列反恐防暴机器人，上海交通大学研发的Frontier-I自主移动机器人，海尔公司和哈尔滨工业大学联合研制的导游服务机器人DY-，这些移动机器人或多或少都使用了基于多传感器信息融合的避障和路径规划技术，在一定环境下可以自主移动，并对不同的障碍物做出不同的反应，但他们大多都还在小批量阶段。目前国内工业界使用的比较多的例如沈阳新松机器人公司的AGV，该AGV具备工业的一系列标准，并且有一定避障和导航功能，可以满足一些要求不高的搬运任务。,03,研究目标与关键问题,03,研究目标,基于现有Biowinbot移动平台无法进行局部三维障碍规避和粗糙形下最优路径可达性规划问题出发，设计出一套用于移动平台粗糙地形下局部障碍感知与路径规划系统。该系统能够通过测距传感器获取移动机器人前方一定距离环境点云信息，并将其和机器人的姿态估计融合，构建出以机器人为中心局部概率高程图。通过将高程图中一些障碍物和地形的几何信息抽象生成可达性地图，再结合移动机器人动态性能在可达性地图中规划出一条可达性最高的路径，使得移动机器人在跟随全局规划器的路径同时做出平滑的局部避障动作。,03,关键问题,1）典型障碍物与地形的几何特征识别与置信度的计算和二维占据栅格地图不同，在高程栅格地图中，每个单元都包含了平行于机器人足迹模型的高度值，这使得高程图在对于一些障碍物与粗糙地形表示中会引入一些各种各样的几何特征，如何用一个或多个几何参数来统一描述这些特征是当前存在一个问题。同时在机器人的移动中，前视距离传感器当前测量范围内的高程数据置信度最高，但随着当前位姿的变化，局部地图范围内已驶过路径的高程数据置信度往往会有所下降。怎样恰到好处的反应置信度的变化也是一个待解决的问题。,03,关键问题,2）可达性地图的设计安全高效的局部规划需要有关环境形状和可达性的知识。在考虑了这些因素后如何在地图上做可达性的估计也是一个很重要的问题，因为当机器人的位姿不断变化时路径的可达性也在在完全可达和几乎不可达或根本不可达之间连续变化。因此在能够计算出局部概率高程图之后，需要设计构建出可用于规划的可达性地图，这一步骤将会把高程图中的几何特征转换为移动平台可穿越性的概率。,3）局部路径规划器中成本函数(CostFunction)的设计局部路径规划器的设计是整个课题中的核心问题，而成本函数又是对规划路径的重要评价标准。这里需要根足迹模型、运动性能和可达性地图设计成本函数来作为搜索算法是否能找到基于当前移动平台最优局部路径的评价依据。怎样设计出符合实际情况的成本函数是本课题的一个的核心问题。,04,技术路线与实验方案,04,技术路线,STEP01,以机器人为中心的概率高程图的构建,STEP02,基于概率高程图的可达性地图的构建,STEP03,基于可达性地图与移动平台运动学性能的局部路径规划器设计,04,技术路线,01）以机器人为中心的概率高程图的构建通过测距传感器获取移动机器人前方一定距离障碍物与地形信息，以移动平台为中心进行高程图的映射。映射出的每个单元格中存储了坐标、高度和方差信息。始终保持相对于移动平台进行距离测量，当机器人移动时，根据位姿估计不确定性的增量以及周围单元的估计值来更新每个单元的方差和均值，对局部不确定性和相邻单元格的处理以估计高程图置信区间的上限和下限。在任何时候，以移动平台为中心的高程图是从局部角度对地形的估计。,带有置信区间的概率高程图,04,技术路线,02）基于概率高程图的可达性地图构建在获得概率高程图的数据之后，就需要相对应的建立可达性地图。可达性地图使用与高程图相同的网格形式，它在局部描述了基于三种不同地形特征的目标路径可达性，分别为局部坡度、局部地形粗糙度和局部垂直高度。使用单元格周围的部分圆形区域来计算网格中方每个单元格的局部坡度、地形平整度和垂直高度的值，并且这些圆形的区域应该在传感器精度允许的范围内尽可能的小。通过对于这三种不同地形特征的描述基本可以将移动平台运行环境中的几种常见障碍例如：地面上的斜坡、非规则形状独立障碍物、垂直的阶梯和地面坑洼间隔描述表达清楚。,可达性地图示例,04,技术路线,03）基于可达性地图与移动平台运动学性能的局部路径规划器的设计局部路径规划器的目的就是在能够跟随全局路径规划器的全局路径的同时，在移动机器人的局部范围内对一些新增障碍与动态障碍做出一系列的规避动作，并在考虑机器人运动学性能的情况下在局部修正和平滑全局规划器的轨迹。结合机器人的足迹(x,y,)设计成本函数在规划状态空间由三个维度组成。局部路径搜索算法通过成本函数(CostFunction)最小成本的约束，最终计算出一条可达性最高且成本最低的路径作为跟随全局路径方向的局部路径作为移动机器人当前行驶的轨迹。,04,实验方案,实验平台本课题依托于Biowinbot移动机器人平台，该平台为两轮差速移动机器人平台，配备双激光雷达和前置深度相机作为地形感知，并使用多达8个声纳传感器和6个红外传感器为移动平台提供全方位的碰撞感知预警，可以满足本课题的实验需求。,Biowinbot移动平台与相关尺寸性能参数,04,实验方案,障碍物的设计障碍物则先通过人为设计，使用白色泡沫剪裁成特定形状作为建入局部高程地图的障碍物。这样具有已知几何信息的障碍物可以检验高程图的误差，也能在之后的可达性地图设计中更加方便。,人为障碍物的设计与高程图的映射,05,创新点与时间计划,05,创新性,本课题主要研究智能制造领域移动机器人障碍感知与路径规划技术，预期提出并建立一套基于biowinbot平台的局部障碍感知与避障规划方案，将为智能制造行业中的移动机器人领域提供一定的技术基础。主要创新点：（1）区别于以往对于三维空间障碍物直接投影压缩到二维平面的表示方法，本设计使用基于栅格的概率高程图(2.5D)表示地形与障碍物，使得高度可见，能够清除的区分可越过障碍与不可越过障碍，使其后期规划算法的可操作性更大。（2）可达性地图结合了障碍物中的一些几何特征信息、移动平台的足迹模型和部分运动学性能，大大提高了路径规划时的运动表现。后期还可以考虑嵌入语义信息，使得移动平台的运动更具人性化。（3）对于地面移动机器人，基于高程图所设计路径规划算法比使用二维占据栅格地图有着对于高度障碍物的避障优势，同时又少了使用三维地图做规划时必须要搜索每一个分支子节点的大量计算