[发明专利]一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法及系统，该方法包括下述步骤：通过轮式移动机器人的几何学模型建立运动学模型，并在速度层上建立目标轨迹等式约束指标；通过计算轮式移动机器人上的脆弱点与障碍物点之间的距离建立障碍物躲避不等式约束指标；将轮式移动机器人的物理极限约束转化成速度层上的双端约束指标；将目标轨迹等式约束指标、障碍物躲避不等式约束指标和物理极限限制双端约束指标并入到二次规划控制中，性能指标为最小速度二范数；采用原对偶神经网络求解后传递给机器人完成障碍物躲避任务。本发明避免机器人在完成障碍物躲避任务时发生急停故障，并考虑了机器人的关节极限限制，保护了机器人的安全。

技术领域

本发明涉及机器人避障控制技术领域，具体涉及一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法及系统。

背景技术

伴随着社会的快速发展，机器人被越来越多地应用于当前的生产和生活当中。对于移动机器人来说，一个很实际的应用就是在复杂环境中完成书写和画图的任务。为了控制移动机器人完成书写和画图的任务，必须考虑在实际环境中会遇到障碍物。对于移动机器人来说，在执行给定的目标轨迹跟踪主任务时，躲避障碍物十分有必要。这是因为，如果在移动机器人的工作环境中有障碍物，而机器人在执行过程中无法避开障碍物时，与障碍物发生的碰撞将导致机器人的损坏或障碍物的损坏，因此为移动平台以及冗余度机械臂建立一个统一的控制方法，躲避工作空间中的障碍物，具有十分重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷与不足，本发明提供一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法及系统，通过设计基于矢量的障碍物躲避算法，结合机器人的物理极限限制约束，实现了轮式移动机器人在执行主任务时可以灵活的完成障碍物躲避的子任务。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于矢量的轮式移动机器人避障方法，包括如下步骤：

通过轮式移动机器人的几何学模型建立轮式移动机器人的运动学模型，在速度层上建立轮式移动机器人的目标轨迹等式约束指标；

通过计算轮式移动机器人上的脆弱点与障碍物点之间的距离，设置缓冲区，建立基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标，当所述脆弱点与障碍物点之间的距离处于缓冲区范围内，控制所述脆弱点对应的关节减速；

将轮式移动机器人的物理极限约束指标转化成速度层上的双端约束指标；

将所述目标轨迹等式约束指标、所述基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标和所述物理极限限制双端约束指标并入到统一形式的二次规划中，设计的性能指标为最小速度二范数；

将二次规划等效为一个分段线性投影方程，采用原对偶神经网络求解器进行求解得到角度控制变量，将所述角度控制变量传送至轮式移动机器人，调节轮式移动机器人的机械臂旋转关节及驱动轮完成障碍物躲避任务。

作为优选的技术方案，所述在速度层上建立轮式移动机器人的目标轨迹等式约束指标的具体步骤为：

通过轮式移动机器人的几何学模型，求出轮式移动机器人末端执行器的雅克比矩阵，并在速度层上通过逆运动学问题，建立移动机器人的目标轨迹等式约束指标：

其中，表示末端执行器的雅克比矩阵，表示轮式移动机器人的上的机械臂的各关节角速度和移动平台左右轮的驱动角速度，表示在速度层上的末端执行器的目标轨迹。

作为优选的技术方案，所述建立基于矢量的障碍物躲避不等式约束指标的具体步骤为：

设置缓冲区为[d₁,d₂]，基于缓冲区构建基于矢量的障碍物躲避不等式约束为：

J₀定义为：