[发明专利]一种基于三维栅格地图的环境特征的相似性度量方法

摘要

本发明是一种基于三维栅格地图的环境特征的相似性度量方法，对于已经建好的三维栅格地图，针对三维栅格地图中的障碍物及其周边空白环境，进行特征分析与建模，相似的环境具有相似的环境特征，本发明提出了一种环境特征的相似性度量方法，做为环境特征识别的基础。本方法可以应用于机器人的环境识别、机器人的路径规划与自主运动，为机器人在实际环境中的游戏应用、机器人清洁等方面提供支撑。

主权项

1.一种基于三维栅格地图的环境特征的相似性度量方法，该方法是通过比对两个相似环境的特征矩阵，以确定两个相似环境的关系，或者镜像对称——称之为镜像对称性，或者循环移位——称之为平移不变性，或者旋转对称——称之为旋转不变性，该方法中的三维栅格地图如下定义：将环境空间抽象为三维直角坐标系O：xyz下的栅格空间，空间的全集为Ω，Ω内的每个元素称为体元，用cx，y，z表示，(x，y，z)即为该体元的三维坐标，每个体元是一个边长为μ的正方体，正方体的每条边都与空间坐标轴平行，根据实际环境有无物体占据，来确定或概率意义上确定相应体元的占空值，基于此形成的地图称为三维栅格地图，μ称为三维栅格地图的分辨率；本方法中的环境建模及特征量、相似性、相似比、镜像对称性、平移不变性、旋转不变性按如下步骤给出：(1)通过相关的设备及算法，建立与实际环境对应的三维栅格地图，这里的设备包括三维激光雷达或双目视觉传感器；(2)在栅格地图上逐个分析每个障碍物体元对周边空闲体元的影响，如下所示：障碍物体元对体元x的影响记作f(xβ，θ，d)，β∈[0，π]表示障碍物体元相对体元x的俯仰角，选取三维栅格地图的Z轴方向做为俯仰角0度起始方向，θ∈[0，2π)表示障碍物体元相对体元x的偏航角，选取三维栅格地图的X轴方向做为偏航角0度起始方向，d表示障碍物体元相对体元x的距离，按照β，θ的递增顺序，体元x所受的影响记为：(3)f(x)的离散化：首先，对体元x所受的影响按角度θ离散到有限的偏航面内[δ1，δ2，...，δs]，s∈N，每个偏航面δ表示一个以体元x所在的Z轴方向为边界的半平面，其次，在每个偏航面δ内，按角度β离散到有限的俯仰角上[η1，η2，...，ηn]，n∈N，方法如下：某障碍物体元对体元x的影响当δi≤θk≤δi+1，i∈[1，s-1]，k∈[1，s]，则把按向量分解投影到偏航面δi与偏航面δi+1上，然后再分别把偏航面δi与偏航面δi+1内的分量，分别按向量分解投影到ηj与ηj+1两个俯仰角上，离散化后，(4)根据体元x的所受影响f(x)，提炼出其特征矩阵F(x)，是一种变换，这里的变换使用二维Fourier变换或二维Walsh变换；(5)根据体元x的特征矩阵F(x)，计算出其特征谱P(x)，针对上一步骤中的变换，其特征谱分别是相应变换的功率谱，特征谱即为体元的环境特征；(6)特征谱比对：体元x的影响矩阵f(x)对应的特征谱为P(x)，体元y的影响矩阵f(y)对应的特征谱为P(y)，我们定义一阈值角度degreethreshold，若向量P(x)与向量P(y)之间的夹角∠(P(x)，P(y))≤degreethreshold，或者cos∠(P(x)，P(y))≥cos(degreethreshold)，就表示矩阵f(x)与f(y)是相似的，也就是体元x与体元y在实际环境中是相似的，利用向量运算法则，我们可以计算：与cos(degreethreshold)比较后，我们即可得出相似性，相似的向量P(x)与向量P(y)是同向的，他们之间的转化因子即为相似比；(7)环境的不变性：对于n×s阶矩阵f(x)，考察f(y)所表示的实际环境，都归一化之后，如果：f(y)[i][j]＝f(x)[(i+u)％n][(j+l)％s]对j∈[0，s-1]，l∈N使得等式成立，则称环境f(x)与f(y)具有平移不变性；如果矩阵f(y)[i][j]＝f(x)[j][s-1-i]对j∈[0，n-1]使得等式成立，则称环境f(x)左旋之后等同f(y)，称它们具有旋转不变性；如果矩阵f(y)[i][j]＝f(x)[n-1-j][i]对j∈[0，n-1]使得等式成立，则称环境f(x)右旋之后等同f(y)，称它们具有旋转不变性；如果对j∈[0，s-1]使得三个等式中有一个成立，则称环境f(x)与f(y)具有镜像对称性；通过特征矩阵F(x)与F(y)的计算，即可确定其镜像对称性、平移不变性及旋转不变性；(8)对实际环境，通过特征矩阵与特征谱计算，我们即可找出实际环境体元x与体元y的相似性与相似比，以及镜像对称性、平移不变性、旋转不变性，这样就达到了环境特征相似性度量的目的。