一種基于邊緣的三維自主探索方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于人工智能以及計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，特別涉及一種基于邊緣的三維自主探索方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對(duì)于智能機(jī)器人的研宄不斷發(fā)展，利用機(jī)器人代替人對(duì)環(huán)境進(jìn)行探索已經(jīng)逐漸成為可能。需要解決的關(guān)鍵問題是機(jī)器人的室內(nèi)自主探索方法。
[0003]機(jī)器人的室內(nèi)自主探索，是指在不經(jīng)人為干預(yù)的前提下，機(jī)器人完全自主決策和尋路，從起點(diǎn)出發(fā)，完成對(duì)整個(gè)未知環(huán)境的探索，并記錄環(huán)境的地圖信息。其中關(guān)鍵的問題是機(jī)器人無人為干預(yù)，如何決定自己下一步的目標(biāo)點(diǎn)。通常這種問題采用基于邊緣的算法來解決。
[0004]目前的機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航普遍采用的是由Yamauchi在1997年提出的基于邊緣的方法。其主要的思想是:為了得到更多關(guān)于外界的新的信息，盡量移動(dòng)到自由空間和未知空間的交界稱為邊緣的區(qū)域，通過令機(jī)器人每次移動(dòng)到新的邊緣的方式來不斷探索整個(gè)環(huán)境。完整的探索過程描述如下:機(jī)器人以當(dāng)前自身位置為起點(diǎn)，利用傳感器掃描周圍環(huán)境，找到若干邊緣，挑選一個(gè)最優(yōu)邊緣，移動(dòng)到該邊緣，繼續(xù)掃描新的未知區(qū)域，將新的信息添加到地圖中，以這種方式不斷完成地圖的擴(kuò)張。我們將這種策略稱為基于邊緣的探索策略。
[0005]采用柵格地圖表示法，將整個(gè)空間劃分為若干個(gè)相同大小的柵格，每個(gè)柵格中的值代表這個(gè)空間位置的狀態(tài)是被占據(jù)的、空閑的、或者未知的。借鑒計(jì)算機(jī)視覺中邊緣檢測(cè)的方法來提取邊緣，提取出的柵格被標(biāo)記為邊緣柵格。如圖1a所示，這是一幅柵格地圖，表示的是一段走廊，走廊的盡頭分別有兩扇敞開的門；圖1b中是在Ia中提取出的邊緣柵格；圖1c將這些邊緣集合成了 3個(gè)可能的目標(biāo)點(diǎn)，記做目標(biāo)點(diǎn)0，1，2，分別代表了兩扇門和未探索的走廊。
[0006]目前研宄人員所研宄和實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人平臺(tái)，大多數(shù)是地面機(jī)器人，例如智能車，人形機(jī)器人以及其他一些功能性的機(jī)器人，這些研宄取得了一定的成果，覆蓋了人工智能以及圖像識(shí)別等很多領(lǐng)域。然而對(duì)于一些特定的環(huán)境，僅依靠地面機(jī)器人難以完成對(duì)環(huán)境探索的任務(wù)。例如機(jī)器人所處的環(huán)境一般分為室外環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境。
[0007]相對(duì)于室外開闊的環(huán)境，室內(nèi)環(huán)境中的智能體探索更具挑戰(zhàn)性。首先機(jī)器人所處的環(huán)境更為雜亂和狹小，這為機(jī)器人避障增加了難度；其次在室內(nèi)環(huán)境下，一般沒有GPS等外部導(dǎo)航系統(tǒng)的支持，所以無法直接獲取自身的位置信息。
[0008]其次，傳統(tǒng)的基于邊緣的探索策略存在著以下幾個(gè)不足:第一，由于最初這個(gè)搜索策略的提出針對(duì)二維地面機(jī)器人，選用傳感器為二維的激光傳感器，所以該算法只適用于二維的探索，無法進(jìn)行三維環(huán)境的自主探索；第二，現(xiàn)有搜索策略的搜索效率較低，借鑒計(jì)算機(jī)視覺中的邊緣檢測(cè)和提取算法，需要掌握整個(gè)地圖的信息，遍歷所有已知和未知區(qū)域柵格，搜索的時(shí)間代價(jià)太大，不適用于快速變化的環(huán)境和高效的探索任務(wù)；第三，現(xiàn)有算法無法滿足動(dòng)態(tài)的進(jìn)行邊緣搜索，往往需要飛向一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，停下后，收集環(huán)境信息，再提取新的邊緣，這會(huì)導(dǎo)致如圖2所示的情況出現(xiàn)。
[0009]圖2a中，機(jī)器人檢測(cè)到一個(gè)邊緣，并規(guī)劃向該邊緣移動(dòng)，在移動(dòng)過程中，在圖2b時(shí)刻，機(jī)器人的探測(cè)區(qū)域已經(jīng)覆蓋了這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，但此時(shí)由于還沒有移動(dòng)到該點(diǎn)，機(jī)器人會(huì)繼續(xù)向該點(diǎn)移動(dòng)，并不更新邊緣情況，圖2c中，機(jī)器人已經(jīng)移動(dòng)到該目標(biāo)點(diǎn)，此時(shí)會(huì)繼續(xù)提取新的邊緣。但實(shí)際上，在機(jī)器人移動(dòng)向該邊緣的過程中，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)邊緣并不是一個(gè)很好的邊緣，因?yàn)樗挥谝黄_闊空間的中間，此時(shí)應(yīng)該在圖2b時(shí)刻就重新探索新的邊緣，并規(guī)劃路徑向新的邊緣移動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供一種新的基于邊緣的三維自主探索方法，能夠提高邊緣提取的效率，滿足三維探索的需求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃路徑。
[0011]本發(fā)明通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn):
[0012]一種基于邊緣的三維自主探索方法，包含以下步驟:
[0013]SI，構(gòu)建無人機(jī)平臺(tái)，所述的無人機(jī)平臺(tái)搭載主控CPU、飛行控制板、三維傳感器，所述無人機(jī)還設(shè)有慣性測(cè)量單元IMU ;選定探索空間的任意一點(diǎn)，啟動(dòng)無人機(jī)，并將該位置記錄為無人機(jī)的起點(diǎn)；
[0014]S2，采用同時(shí)定位與構(gòu)圖算法進(jìn)行無人機(jī)的定位，即利用三維傳感器收集外界環(huán)境的三維信息，提取前后兩幀的圖像信息，求解所述兩幀之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)矩陣，再通過慣性測(cè)量單元頂U(kuò)進(jìn)行EKF擴(kuò)展卡爾曼濾波，求得精確的相對(duì)變換；結(jié)合三維傳感器收集到的環(huán)境信息，進(jìn)行機(jī)器人周圍局部地圖的構(gòu)建，將局部地圖信息利用三維柵格表示出來形成三維柵格地圖；
[0015]S3，在所述三維柵格地圖的基礎(chǔ)上，利用三維傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，提取出傳感器的測(cè)量輪廓，所述的測(cè)量輪廓是傳感器返回的深度點(diǎn)組成的一個(gè)曲面；
[0016]S4，將所述測(cè)量輪廓分割成若干個(gè)邊緣，每一個(gè)邊緣作為一個(gè)潛在的下一步目標(biāo)點(diǎn)，綜合每個(gè)邊緣的兩個(gè)參數(shù)加權(quán)得到每個(gè)邊緣的可選值，所述的兩個(gè)參數(shù)分別是，從當(dāng)前點(diǎn)移動(dòng)向該邊緣目標(biāo)點(diǎn)的移動(dòng)代價(jià)以及在該邊緣可得到的未知環(huán)境的信息量，分配以上兩個(gè)值的權(quán)重，加權(quán)得到一個(gè)和，令這個(gè)和為衡量每個(gè)待選邊緣的值，選擇值最大的待選邊緣為下一步的目標(biāo)邊緣；
[0017]S5，利用人工勢(shì)場(chǎng)算法，將目標(biāo)邊緣點(diǎn)選為目標(biāo)點(diǎn)，提供引力，將局部地圖中的障礙物柵格當(dāng)作斥力提供點(diǎn)，以合力方向?yàn)闊o人機(jī)運(yùn)動(dòng)方向；
[0018]S6，按照以上的導(dǎo)航策略，無人機(jī)開始運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的過程中，每一次傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)都執(zhí)行S2-S5，提取測(cè)量輪廓，提取邊緣，重新規(guī)劃路徑，直到再無新的邊緣探測(cè)出來，則探測(cè)過程結(jié)束。
[0019]其中，所述S6中，可以結(jié)合D*算法，在無人機(jī)陷入勢(shì)場(chǎng)陷阱的時(shí)候重新規(guī)劃一條路徑，脫離勢(shì)場(chǎng)陷阱。
[0020]最后，所述的三維傳感器包含顏色傳感器和深度傳感器，所述三維傳感器返回的是帶深度的點(diǎn)云格式數(shù)據(jù)，使用視覺測(cè)程方法提取前后兩幀圖像中的視覺特征點(diǎn)，做特征點(diǎn)的粗匹配，然后加入正常值檢測(cè)算法篩選出正常特征對(duì)，然后調(diào)用封閉形式的動(dòng)作估計(jì)算法計(jì)算出平移和旋轉(zhuǎn)兩種變化值，所述的變化值基于迭代技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于:
[0022]1、選用無人機(jī)平臺(tái)，相比于傳統(tǒng)的地面機(jī)器人二維探索，無人機(jī)具有可以靈活三維移動(dòng)的特點(diǎn)，可以很好的適用于復(fù)雜環(huán)境的室內(nèi)探索任務(wù)。同時(shí)，無人機(jī)的移動(dòng)速度相比于地面機(jī)器人來說更加快速，可以提高探索任務(wù)的效率。
[0023]2、采用的三維基于邊緣的探索算法，可以適用于三維環(huán)境的探索，在空間維度提升的情況下，并沒有增大計(jì)算復(fù)雜度，提取邊緣的效率提升；其次，本算法不像【背景技術(shù)】那樣，需要到達(dá)一個(gè)邊緣目標(biāo)點(diǎn)之后再重新計(jì)算邊緣，而是基于每一次的傳感器反饋數(shù)據(jù)，可以動(dòng)態(tài)的進(jìn)行邊緣探索；第三，在進(jìn)行遍歷地圖柵格探索邊緣時(shí)，本算法不需要遍歷地圖中的所有柵格，只需要遍歷傳感器測(cè)量輪廓上的柵格即可，不僅節(jié)約了計(jì)算量，也大大提高了計(jì)算效率。
[0024]3、采取人工勢(shì)場(chǎng)算法與基于邊緣的算法結(jié)合的導(dǎo)航策略，在陷入勢(shì)場(chǎng)陷阱時(shí)，利用D*算法重新規(guī)劃路徑，可以做到高效的避撞與路徑規(guī)劃。
[0025]本發(fā)明的方法可以用于一些特定場(chǎng)景的探索，代替人力完成一些危險(xiǎn)的工作，如地震后倒塌的大樓，地下礦井