专利汇可以提供一种基于形式化描述的地面自主移动机器人安全导航方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种基于形式化描述的地面自主移动 机器人 安全导航方法,包括建立 机器人自主导航 系统的抽象模型,采用形式化方法描述机器人安全导航 算法 ,分析 导航系统 的安全限制条件并以该条件为约束对算法进行求解验证。所述的系统模型基于机器人全向移动平台建立,提出的自主导航算法遵循被动友好的安全限制条件,采用形式化方法解算导航系统中待验证的控制输入。本发明提出了一种有效的机器人自主导航算法,运用差分动态逻辑根据当前系统的运行的状态求解下一时刻的安全控制输入。本发明可以应用在机器人的自主导航系统中,保障导航系统安全机制的完备性。,下面是一种基于形式化描述的地面自主移动机器人安全导航方法专利的具体信息内容。
1.一种基于形式化描述的地面自主移动机器人安全导航方法,其特征在于,包含以下步骤:
步骤1:对机器人导航系统进行抽象建模,并且对其需要满足的安全性质进行形式化规约;
步骤2:采用形式化语言描述机器人安全导航算法;
步骤3:建立机器人导航系统的状态迁移模型,通过形式化解算判定任意时刻满足安全性质的控制输入,并对机器人运动状态进行预测和更新;
所述步骤1的过程如下:
1)抽象机器人的运动轨迹为分段直线,机器人的运动状态模型为:
式中 表示机器人在二维平面中的位置, 和 分别表示 在x,y方向
上的分量;
式中 表示机器人在二维平面中的速度,vr表示速度的模, 和 分
别表示速度方向向量在x,y方向上的分量;
式中ar表示机器人在二维平面中的加速度,加速度与速度具有相同的
方向;
t表示运动时间;
2)采用建模语言对系统中物体的离散控制行为和连续运动状态进行形式化描述:包括机器人的离散控制行为ctrlo和环境中障碍物的离散控制行为ctrlr,以及系统中所有运动物体的连续运动演化dyn;
3)首先根据全向移动机器人的运动学约束,对模型中的离散控制输入参数进行限定:ar∈[-B,A],vr∈[0,V],根据移动平台的最大制动能力定义加速度下限B;根据最大加速能力定义加速度上限A;根据最大速度限制定义速度上限V,再根据被动友好安全性质定义导航系统的安全限制条件,避免机器人和障碍物发生碰撞:
其中φ为需要满足的安全条件; 为障碍物的当前位置; 为障碍物到机器人的距离; 为机器人从当前状态到下一次控制单元发送制动指令前的
运行距离,其中ε为从机器人控制单元发送指令到运动机构开始执行的间隔时间;
为控制单元发送制动指令到机器人到达静止状态,
机器人运行的距离; 为障碍物从原速运动到发现机器人后减速至静止
期间运行的距离,其中vo为工作环境中障碍物的最大运动速度,Bo为障碍物的制动能力,τ为障碍物的最长反应时间; 分别为机
器人和障碍物的运动位移在两者位移差向量上的投影;
所述步骤3的过程如下:
建立机器人导航系统的状态机迁移图,状态机迁移图中的状态节点对应机器人系统的不同运动模式,并为每个节点添加相应的连续运动变化规则,定义状态机模型为多元组H=(X,∑,S,E,S0,α,β,γ);
X是导航系统实数变量的有限集合,X中变量的个数为状态机模型的维数;
∑是控制命令的有限集合,S是运动状态节点的有限集合;
E是转化关系的集合,E中的元素e具有形式 其中,s,s′是S中的元素;σ∈∑是转换上的事件名;是一个将E中的转换e标注为一组约束的标注函数,表示当系统行为触发转换e时,相应变量的取值满足此约束;ψ是形为ar:=A的重置动作集合,表示当系统行为触发此转换后,相应变量ar的取值会被重置为A;
是系统初始状态的集合;
α是一个标注函数它将每个位置映射到一个节点不变式,表示系统行为停留在相关节点时,相应变量取值满足此约束;
β是一个为S中每个位置节点添加流条件的标注函数,表示当系统行为停留在相关节点时,相应变量取值变化随着时间增长满足此条件;
γ是一个标注函数,将初始位置So中每个状态映射到一组初始条件,初始条件具有形式对任意状态s∈So,有且
仅有一组 满足条件;
根据状态机模型,利用差分动态逻辑dL对系统控制输入进行推演,验证从初始状态出发经过导航算法计算出的所有变迁序列,始终满足被动友好安全性质:
2.根据权利要求1所述的一种基于形式化描述的地面自主移动机器人安全导航方法,其特征在于,所述步骤1的过程如下:
根据运动学约束和安全限制条件过滤掉不符合要求的控制输入,建立当前时刻的窗口从 按需选取控制输入参数实现自主导航,运行至下一时刻,迭代更新动态窗口 重复上述的算法。
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