[发明专利]一种针对机器人导航的虚拟墙自动生成方法

摘要

本发明提供一种针对机器人导航的虚拟墙自动生成方法，属于移动机器人自主导航技术领域。该虚拟墙自动生成方法先获取障碍物密集区域的激光点；对激光点进行栅格化处理，并对栅格化后的激光点构建德洛内三角网，生成邻接矩阵；对德洛内三角网进行初始化：生成长度矩阵、属性矩阵和邻接三角形矩阵；基于虚拟墙构建算法与矩阵信息，剔除德洛内三角网中长度大于阈值的边界边，进而获取到虚拟墙的几何图形。本发明能够针对先验地图中的障碍物密集区域，自动生成将该区域包围的虚拟墙，一方面提升机器人的导航工作效率，另一方面保留障碍物密集场景中有利于定位的丰富的环境特征，可用于移动机器人非结构化场景下导航等领域。

主权项

1.一种针对机器人导航的虚拟墙自动生成方法，其特征在于，该虚拟墙自动生成方法先获取障碍物密集区域的激光点；对激光点进行栅格化处理，并对栅格化后的激光点构建德洛内三角网，生成邻接矩阵；对德洛内三角网进行初始化，生成长度矩阵、属性矩阵和邻接三角形矩阵；基于虚拟墙构建算法与矩阵信息，剔除德洛内三角网中长度大于阈值的边界边，得到虚拟墙的几何图形；具体包括以下步骤：第一步，移动机器人通过SLAM算法进行360度的全局激光点云扫描，得到以原始激光点云为存储方式的先验地图；第二步，对先验地图中的障碍物密集区域进行圈选观察先验地图的密集区域，选取密集区域的中心处的某点为圆心，圆心点与O点的距离为length，夹角为θ，圆的半径为R，其中O点为激光点云原点；遍历先验地图中的原始激光点云，若当前被遍历的激光点坐标(x,y)位于圈选范围内，满足公式(1)，则保留该激光点，并将保留的激光点存入局部激光点云；若当前被遍历的激光点坐标(x,y)不在圈选范围内，则直接舍弃；(x‑length×cosθ)2+(y‑length×sinθ)2<＝R  (1)第三步，通过栅格化对保留激光点云进行精简，得到栅格点云；第四步，对栅格点云中的点构建德洛内三角网，德洛内三角网存储采用图的邻接矩阵方式存储，采用两个数组表示图：一个一维数组存储三角网中顶点信息，，作为顶点数组；一个二维数组存储图中的边的信息，二维数组称为邻接矩阵；若德洛内三角网内有n个顶点，则存在两个数组，顶点数组为vertex[n]＝{v0,v1,v2,...,vn}，邻接矩阵arc[n][n]为：其中，i≤n，j≤n；E为德洛内三角网内中边的集合，(vi,vj)表示顶点vi到顶点vj的边；第五步，根据第四步得到的德洛内三角网的邻接矩阵，对德洛内三角网进行初始化，求取德洛内三角网的长度矩阵、属性矩阵和邻接三角形矩阵；定义如下：1)长度矩阵定义长度矩阵Lth[n][n]，用于存储边的长度，定义为：其中，vi的二维坐标为(xi,yi)，vj的二维坐标为(xj,yj)；2)属性矩阵定义属性矩阵为Pty[n][n]，用于存储边的属性；根据邻接矩阵arc[n][n]，对属性矩阵进行定义：若arc[i][j]＝1，且只存在一个k值，满足arc[i][k]＝1且arc[j][k]＝1，则Pty[i][j]＝1，表示(vi,vj)为边界边；若arc[i][j]＝1，且存在两个k值，满足arc[i][k]＝1且arc[j][k]＝1，则Pty[i][j]＝2，表示(vi,vj)为内部边；若arc[i][j]＝0，则Pty[i][j]＝0；3)邻接三角形矩阵定义邻接三角形矩阵为Adj[n][n]，用于存储每条边的邻接三角形；根据邻接矩阵arc[n][n]，对邻接三角形矩阵进行定义：若arc[i][j]＝1，且只存在一个k值，满足arc[i][k]＝1且arc[j][k]＝1，则Pty[i][j]＝vk，表示边(vi,vj)含有一个邻接三角形，且三角形顶点为vi,vj和vk；若arc[i][j]＝1，且存在两个k值，满足arc[i][k]＝1且arc[j][k]＝1，存在的两个k值用m和n表示，则Pty[i][j]＝vm,vn，表示边(vi,vj)含有两个邻接三角形，且三角形顶点分别为vi,vj,vm和vi,vj,vn；若arc[i][j]＝0，则Pty[i][j]＝0；第六步，从德洛内三角网的最外层边开始向内不断地删去超过长度限制R的边，最终得到虚拟墙的几何图形；通过如下步骤进行虚拟墙提取：1)遍历属性矩阵，查找出德洛内三角网中所有的边界边；2)初始化队列，从长度矩阵中查找出所有长度大于R的边界边，并将其压入队列；3)若队列为空，则执行步骤8)；若队列非空，则执行步骤4)；4)从队列顶部弹出一条边(vi,vj)，通过查找邻接三角形矩阵的Adj[i][j]元素，得到边(vi,vj)的邻接三角形T的其他顶点vk，执行步骤5)；5)找到T中另外两条边(vi,vk)和(vj,vk)，将属性矩阵中Pty[i][k]和Pty[j][k]置为1，即将他们设定为新的边界边；为了使他们符合边界边只有一个邻接三角形条件，再将邻接三角形矩阵的Adj[i][k]中的元素vj和Adj[j][k]中的元素vi删除，执行步骤6)；6)查找长度矩阵，将(vi,vk)和(vj,vk)中长度大于R的边压入队列，执行步骤7)；7)将边(vi,vj)对应的属性矩阵中的元素Pty[i][j]置为0，即剔除边(vi,vj)作为边界边的属性，执行步骤3)；8)遍历属性矩阵，提取所有边界边，形成虚拟墙。