申请/专利权人：中国兵器科学研究院;中国北方车辆研究所

申请日：2020-07-02

公开（公告）日：2024-06-18

公开（公告）号：CN111830977B

主分类号：G05D1/43

分类号：G05D1/43;G05D1/242;G05D1/246;G05D1/65;G05D1/633;G05D1/248;G05D1/648;G01C21/20;G05D109/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.18#授权;2020.11.13#实质审查的生效;2020.10.27#公开

摘要：本发明涉及一种移动机器人自主导航软件框架及导航方法，软件框架分为用户接口层、自主导航层、系统监视层、设备层和底层应用层等5个层次。每个功能模块按独立线程运行，模块之间通过共享内存的方式进行数据交互。软件框架将感知、规划与执行模块分开，可以适应不同驱动形式的平台、不同的传感器配置和不同的任务。规范定义了导航系统中地图、路径、分类器、任务、路径规划器等常用的抽象接口，定义了常用坐标系以及传感器和功能模块涉及的数据结构。底层应用层实现了线程、数学运算、日志、硬件接口访问；设备层实现了功能模块的定义与基本操作，实现了常用设备的数据采集功能，具有较为完备的底层功能，可支持敏捷化开发。

主权项：1.一种利用移动机器人自主导航软件框架进行导航的方法，其特征在于，所述移动机器人自主导航软件框架包括：用户接口层、自主导航层、系统监视层、设备层和底层应用层；所述用户接口层通过通信模块与用户交互；所述自主导航层根据任务路径、通过成本地图和机器人当前的位置与姿态规划当前的目标路径，基于当前移动机器人的位置与姿态、速度和当前的目标路径生成控制移动机器人本体机动的运动控制指令；所述系统监视层收集机器人状态、监视安全避碰距离以及通信链路连接状态，当判断移动机器人存在碰撞危险或通信链路处于断开状态时发出停止指令；所述设备层实现对移动机器人感知和定位的传感器模块的访问，将所述运动控制指令输入给所述移动机器人本体的平台操控器模块执行；所述底层应用层用于实现移动机器人的坐标系转换，记录日志，对关键事件和数据进行记录；所述自主导航层包括环境感知模块、局部路径规划模块和跟踪控制模块；环境感知模块获取多种传感器采集的数据建立环境地图，通过分类器对环境地图中的地形可通过性进行划分，信息融合后获得通过成本地图，通过成本包括通过时间或路径长度以及通过难度；局部路径规划模块以所述通过成本地图、任务路径以及移动机器人当前位置与姿态为输入，选择通过成本最低的路径作为当前的目标路径；跟踪控制模块基于机器人当前位置、姿态和当前的目标路径生成控制平台机动的运动控制指令；系统监视层包括状态收集模块、通信链路监视模块以及安全避碰模块；所述状态收集模块收集所述移动机器人位置、姿态、速度、局部路径规划模块的输出以及所述通信链路状态；所述通信链路监视模块监测通信链路的连接状态；所述安全避碰模块监视所述移动机器人距离障碍物的最小距离，在通信链路断开或最小距离小于安全距离阈值时，发出停止指令，控制所述移动机器人本体停止；所述设备层包括传感器模块、平台操控器模块、虚拟设备模块以及设备数据结构模块；所述传感器模块用于采集环境信息与定位信息，平台操控器模块接收所述运动控制指令并控制所述移动机器人本体移动；所述虚拟设备模块包括虚拟传感器和虚拟平台操控器，虚拟传感器用于对所述传感器模块用于所述传感器模块输出信号进行仿真，虚拟平台操控器用于对移动机器人采用的控制算法进行仿真；所述设备数据结构模块用于定义设备的输入输出数据格式及组成；所述底层应用层包括日志记录模块、矩阵计算模块、线程管理模块以及硬件设备接口模块；所述日志记录模块对运行过程中关键事件和数据进行记录；所述矩阵计算模块用于对所需的各类坐标系进行转换；所述线程管理模块，用于对自主导航软件框架中的所有线程进行管理；所述硬件设备接口模块驱动所述传感器模中各传感器的通信接口或控制接口；各个模块均按独立线程运行，模块之间通过共享内存的方式进行数据交互；所述自主导航层还包括导航器模块，将环境感知模块和局部路径规划模块关联实现导航；所述的环境感知模块包括单线激光雷达、多线激光雷达和相机，定期采集单线激光雷达、多线激光雷达和相机数据，分别通过独立线程建立环境地图；分别对每种环境地图进行分类，获得三种可通过性地图；通过对三种可通过性地图加权求和，融合获得最终的通过成本地图；利用移动机器人自主导航软件框架进行导航的方法包括：所述的环境感知模块输出通过成本地图；所述导航器模块运行，根据最新任务路径，根据通过成本地图输出当前的目标路径；所述跟踪控制模块生成运动控制指令，并输入给所述平台操控器，平台控制器控制所述移动机器人本体移动；所述导航器模块的运行流程如下：1设置导航器模块的导航参数，包括地图大小、分辨率、最小安全距离、规划参数和速度剖面构建参数；其中，规划参数包括最大允许曲率、路径最大长度、备选路径数量、备选路径间隔距离；速度剖面构建参数包括加速度、减速度、紧急停车减速度和最大速度；2环境感知模块更新环境地图，生成新的通过成本地图，获取移动机器人位置与姿态；3计算当前至上次规划的时间间隔，当满足时间间隔阈值后进入步骤4；4获取最新任务路径；以通过成本地图、移动机器人位置、姿态和任务路径为参数，调用局部路径规划器进行规划，获得可行的局部路径和速度剖面等规划结果；将规划结果推送到轨迹池中；所述轨迹池中的路径，作为当前的目标路径，轨迹池中的速度剖面作为当前的期望速度；所述跟踪控制模块运行流程如下：1更新定位数据，获取所述移动机器人当前位置与姿态；2从轨迹池中获取当前的目标路径和移动机器人的期望速度；3计算出所述移动机器人到达目标路径所需的所述移动机器人本体运动控制指令；4将所述运动控制指令输入给所述平台操控器，控制移动机器人本体机动。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 中国兵器科学研究院;中国北方车辆研究所 一种移动机器人自主导航软件框架及导航方法

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