[发明专利]用于快速精确路径计划的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于计划最佳路径以避免障碍的方法和系统。该路径计划应用的例子包括但不限于(1)用于在患者内仪器的外科手术路径的计划，(2)用于在特定环境中的机器人、车辆、飞机、轮船等的运动/行进路径的计划，(3)通过各种经济系统、紧急系统等的有条件和无条件状态的流路径的计划，以及(4)在陆地和/或水中的指定主体上或者经过陆地和/或水体的指定主体的街道、公路、水路的路程路径的计划。

背景技术

可以使用1996年阿姆斯特丹大学Karen I.Trovato的A* Planning in Discrete Configuration Spaces of Autonomous System中所教导的框架执行该路径计划应用。

特别地，必须能够根据离散参数描述路径计划应用。也就是说，由关键参数表征路径计划应用，每个参数具有一个或多个有效离散参数值范围。将所有可能参数范围的组合称为配置空间，并且配置空间的每种状态为这些参数中的每个参数提供了唯一设置。

将所允许的造成从配置空间中的一种状态变化或者转换到在某个范围内的另一种状态的行为表述为“邻域”。换言之，邻域是表示在部分或者全部配置空间内的核心状态转换的可允许后继的集合。由于配置空间是离散空间，所以可以将配置空间的每种状态视为二维或三维图形中的“节点”，并且可以将配置空间中能够造成在两种或多种状态之间变化的任何事件或者运动视为在节点之间的“转换”。

还可以基于“游戏规则”确定“邻域”，这样可能存在根据任务空间自身的特定属性或者任务空间内的物理对象/状态流所选择的一些邻近部。转换也可以基于诸如单行街道的环境。分配给每个转换的是用于在初始状态和邻近状态之间改变所施加的开销。因此，可以将配置空间中的状态与在它们之间的邻域转换的组合视为以状态作为节点并且以所允许的转换作为定向边缘的曲线图。

对于许多路径计划应用，通常由于机械限制、与障碍物相互作用、或者所施加的规则，存在定义非法状态的约束。因此，在配置空间中可能存在可识别的节点禁区。在一些曲线图中，沿着节点自身移除到这些节点的转换。或者，可以将节点标记为非法的，或者到节点的转换可能具有无限(难达到的并且很高的)开销，用∞代表。这些技术中的每个带来避免受约束节点的搜索。

利用路径计划，可以将“目标”位置映射到离散配置空间中的一个或多个等价“目标”节点。因为表达系统的参数公式可能具有多于一种描述系统“目标”的解决方法，所以可能存在多个“目标”节点。例如，你手臂的左手和右手配置都可以达到相同位置。系统“开始”简单地转换到特定开始节点。

找到最期望的从当前系统节点引导到期望“目标”的一系列事件类似于找到从当前节点到“目标”节点的最佳转换路径，其引起最小开销同时回避所有非法节点。路径计划的目标通常具有对成功的标准，有时被称为空间可变量度、开销量度、或者目的函数(objection function)(例如，最快、最短、最不贵等)。在许多情况下，可以将其直接转化为节点之间的特定转换引起的开销。因此，可以通过使用配置空间节点、转换、开销、禁止区域以及“目标”计划路径并且通过定义或设置“开始节点”，来找到所期望的事件系列。诸如A*的曲线图搜索方法提供了确定最佳路径的有效机制。

本发明通过促进使用离散参数值对配置空间节点结构的每个节点明确地进行量化扩展了由Trovato所教导的主题框架在计划最佳路径以回避障碍中的使用。

发明内容

本发明的一种形式是一种用于根据路径计划应用来计划最佳路径的方法。该方法包括在数据存储介质内的配置空间节点结构的构建，配置空间节点结构表示包括由一个或多个参数表征的多个状态的离散配置空间。该方法还包括利用对配置空间节点结构的每个节点明确地进行量化的离散参数值增加在数据存储介质内构建的配置空间节点结构。

本发明的第二种形式是一种用于根据路径计划应用来计划最佳路径的采用数据存储介质(即，用于存储数据的任何介质)和数据处理设备(即，用于执行涉及所存储的数据以产生信息的操作的任何设备)的系统。在操作中，数据处理设备在数据存储介质内构建配置空间节点结构，配置空间节点结构表示包括由至少一个参数表征的多个状态的离散配置空间。数据处理设备还利用对配置空间节点结构的每个节点明确地进行量化的离散参数值增加在数据存储介质内的配置空间节点结构的构建。