本發(fā)明屬于智能建造領(lǐng)域，特別是涉及基于深度學(xué)習(xí)的施工機(jī)器人自主導(dǎo)航與避障方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著智能建造技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了施工機(jī)器人自主導(dǎo)航與避障技術(shù)，該技術(shù)核心在于提升機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的自主作業(yè)能力，對(duì)于提高施工效率、保障施工現(xiàn)場(chǎng)安全具有不可替代的價(jià)值。

2、傳統(tǒng)技術(shù)中，主要依賴預(yù)設(shè)規(guī)則系統(tǒng)或單一傳感器數(shù)據(jù)處理來進(jìn)行自主導(dǎo)航與避障，通過預(yù)先設(shè)定安全距離閾值，結(jié)合基礎(chǔ)傳感器檢測(cè)障礙物，觸發(fā)簡(jiǎn)單的停止或轉(zhuǎn)向動(dòng)作，而對(duì)于環(huán)境變化的響應(yīng)則多采用離線更新地圖或人工干預(yù)調(diào)整策略。

3、然而，目前的傳統(tǒng)方法存在以下問題：無法區(qū)分施工現(xiàn)場(chǎng)的障礙物類型，且避障策略單一，無法根據(jù)障礙物的威脅等級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整避障策略，同時(shí)響應(yīng)避障決策延遲，導(dǎo)致避障失敗，降低導(dǎo)航效率，難以滿足實(shí)際施工需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對(duì)上述技術(shù)問題，提供一種基于深度學(xué)習(xí)的施工機(jī)器人自主導(dǎo)航與避障方法及系統(tǒng)。

2、第一方面，本技術(shù)提供了一種基于深度學(xué)習(xí)的施工機(jī)器人自主導(dǎo)航與避障方法，包括：

3、獲取施工機(jī)器人的當(dāng)前位置、施工目標(biāo)位置以及施工現(xiàn)場(chǎng)的平面地圖；

4、根據(jù)平面地圖和當(dāng)前位置、施工目標(biāo)位置，生成第一導(dǎo)航路徑；

5、當(dāng)施工機(jī)器人在第一導(dǎo)航路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)獲取施工機(jī)器人周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)；

6、對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行障礙物特征提取處理，獲取各障礙物信息、移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果和威脅等級(jí)；

7、若各障礙物的移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果與第一導(dǎo)航路徑的最短距離低于安全距離閾值，則根據(jù)各障礙物的威脅等級(jí)，生成臨時(shí)避障方案，并根據(jù)臨時(shí)避障方案生成避障指令；臨時(shí)避障方案包括不同威脅等級(jí)對(duì)應(yīng)的不同避障策略。

8、在其中一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)臨時(shí)避障方案生成避障指令之后，還包括：

9、當(dāng)施工機(jī)器人根據(jù)避障指令完成避障后，獲取施工機(jī)器人的定位；

10、若定位不在第一導(dǎo)航路徑內(nèi)，獲取第一導(dǎo)航路徑距離定位最近的路徑點(diǎn)；

11、根據(jù)定位和路徑點(diǎn)，使用以下公式，計(jì)算定位與第一導(dǎo)航路徑的偏移量：

12、

13、其中，δd為偏移量，(xc，yc)為定位坐標(biāo)，(xp，yp)為路徑點(diǎn)坐標(biāo)，α為航向敏感系數(shù)，θerr為當(dāng)前施工機(jī)器人的朝向與第一導(dǎo)航路徑的切線夾角；

14、若偏移量超過閾值，則根據(jù)定位、施工目標(biāo)位置及平面地圖，生成第二導(dǎo)航路徑；第二導(dǎo)航路徑用于表征施工機(jī)器人從避障后的位置到施工目標(biāo)位置的導(dǎo)航路徑。

15、在其中一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算定位與第一導(dǎo)航路徑的偏移量之后，還包括：

16、若偏移量處于閾值范圍內(nèi)，則根據(jù)定位與第一導(dǎo)航路徑的各路徑點(diǎn)，生成多條局部路徑；

17、計(jì)算局部路徑對(duì)應(yīng)的總代價(jià)，確定總代價(jià)最小的局部路徑為回歸路徑；回歸路徑用于表征施工機(jī)器人從避障后的位置回歸到第一導(dǎo)航路徑的局部路徑。

18、在其中一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)臨時(shí)避障方案生成避障指令，包括：

19、從臨時(shí)避障方案中提取路徑特征；路徑特征包括路徑長(zhǎng)度、路徑最大威脅值、安全裕度和路徑曲率變化均值；

20、根據(jù)路徑特征與預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)權(quán)重參數(shù)，使用以下公式，計(jì)算路徑優(yōu)化權(quán)重參數(shù)：

21、

22、

23、其中，α為路徑優(yōu)化效率權(quán)重，β為路徑優(yōu)化安全權(quán)重，γ為路徑優(yōu)化能耗權(quán)重，α0為基礎(chǔ)效率權(quán)重，rlen為相對(duì)路徑長(zhǎng)度，δk為路徑曲率變化均值，k1為長(zhǎng)度敏感系數(shù)，k2、k3為平滑度補(bǔ)償系數(shù)，β0為基礎(chǔ)安全權(quán)重，pmax為路徑最大威脅值，savg為路徑平均安全裕度，s0為基準(zhǔn)安全裕度，k4、k5為威脅放大系數(shù)，γ0為基礎(chǔ)能耗權(quán)重，為路徑平均速度，k6為能耗敏感系數(shù)；

24、根據(jù)路徑優(yōu)化權(quán)重參數(shù)，生成多條可行路徑；

25、根據(jù)可行路徑，使用以下公式，計(jì)算對(duì)應(yīng)的路徑綜合總代價(jià)：

26、f(n)＝α·gl(n)+β·gs(n)+γ·ge(n)+α·h(n)

27、

28、其中，f(n)為路徑綜合總代價(jià)，α為路徑優(yōu)化效率權(quán)重，β為路徑優(yōu)化安全權(quán)重，γ為路徑優(yōu)化能耗權(quán)重，gl(n)為路徑長(zhǎng)度代價(jià)，gs(n)為安全威脅代價(jià)，ge(n)為能量消耗代價(jià)，h(n)為啟發(fā)函數(shù)，pi為路徑上第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，pi-1為路徑上第i-1個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，di為路徑上第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的威脅評(píng)分，dmin(n)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到最近障礙物的最小距離，σ為安全敏感系數(shù)，vi為節(jié)點(diǎn)速度，ki為路徑曲率，θi為坡度角，為能耗系數(shù)，pn為當(dāng)前位置的坐標(biāo)，pgoal為施工目標(biāo)位置的坐標(biāo)，k為威脅修正系數(shù)，為當(dāng)前位置到施工目標(biāo)位置的平均威脅值；

29、將路徑綜合總代價(jià)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)升序排列，得到最短可行路徑序列；

30、根據(jù)最短可行路徑序列，生成避障路徑，并根據(jù)避障路徑，生成避障指令。

31、在其中一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行障礙物特征提取處理，獲取各障礙物信息、移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果和威脅等級(jí)，包括：

32、對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取各障礙物特征；

33、根據(jù)各障礙物特征，得到各障礙物的信息，并對(duì)各障礙物進(jìn)行軌跡預(yù)測(cè)，得到各障礙物的移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果；

34、根據(jù)各障礙物的信息和各障礙物的移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果，使用以下公式，得到各障礙物對(duì)應(yīng)的威脅指數(shù)：

35、

36、其中，d為威脅指數(shù)，r1為預(yù)設(shè)風(fēng)險(xiǎn)值，d為機(jī)器人與障礙物之間的相對(duì)距離,v為機(jī)器人與障礙物之間的相對(duì)速度，λ為衰減系數(shù)，dmin為機(jī)器人與障礙物的最小預(yù)測(cè)距離，ω1為類別權(quán)重，ω2為動(dòng)態(tài)權(quán)重，ω3為距離權(quán)重；

37、根據(jù)威脅指數(shù)，得到各障礙物的威脅等級(jí)。

38、在其中一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)中進(jìn)行處理，提取各障礙物特征，包括：

39、將環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空對(duì)齊，生成多通道環(huán)境張量；

40、基于改進(jìn)的yolov4網(wǎng)絡(luò)，通過卷積層對(duì)多通道環(huán)境張量提取空間特征，生成障礙物邊界框；其中，改進(jìn)的yolov4網(wǎng)絡(luò)為融合多通道時(shí)空輸入的動(dòng)態(tài)門控特征金字塔網(wǎng)絡(luò)；

41、根據(jù)障礙物邊界框，提取各障礙物的靜態(tài)特征向量、動(dòng)態(tài)特征向量和上下文特征向量；

42、將靜態(tài)特征向量、動(dòng)態(tài)特征向量和上下文特征向量進(jìn)行融合，使用以下公式，得到各障礙物特征：

43、fobs＝σ(β)·fs+(1-σ(β)·[γ·fd+(1-γ)·fc]

44、其中，fbos為各障礙物特征，fs為靜態(tài)特征向量，fd為動(dòng)態(tài)特征向量，fc為上下文特征向量，σ(β)為sigmoid門控權(quán)重，β為環(huán)境動(dòng)態(tài)因子，γ為運(yùn)動(dòng)顯著性系數(shù)。

45、在其中一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)各障礙物特征，得到各障礙物的信息，并對(duì)各障礙物進(jìn)行軌跡預(yù)測(cè)，得到各障礙物的移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果，包括：

46、根據(jù)各障礙物特征，通過全連接分類網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行障礙物分類處理，得到各障礙物的信息；

47、根據(jù)各障礙物特征，構(gòu)建時(shí)空特征序列；

48、將時(shí)空特征序列輸入改進(jìn)的軌跡預(yù)測(cè)子網(wǎng)絡(luò)，通過編碼層提取時(shí)序特征，通過交互感知層建模障礙物間相互作用，通過解碼層預(yù)測(cè)軌跡點(diǎn)；

49、根據(jù)時(shí)序特征、障礙物間相互作用和軌跡點(diǎn)，輸出各障礙物初始軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果；

50、對(duì)初始軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行物理約束修正，輸出各障礙物的移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果。

51、第二方面，本技術(shù)還提供了一種基于深度學(xué)習(xí)的施工機(jī)器人自主導(dǎo)航與避障系統(tǒng)，包括：

52、位置與平面地圖獲取模塊，用于獲取施工機(jī)器人當(dāng)前位置、施工目標(biāo)位置以及施工現(xiàn)場(chǎng)的平面地圖；

53、第一導(dǎo)航路徑生成模塊，用于根據(jù)所述平面地圖和所述當(dāng)前位置、施工目標(biāo)位置，生成第一導(dǎo)航路徑；

54、環(huán)境數(shù)據(jù)獲取模塊，用于當(dāng)所述施工機(jī)器人在所述第一導(dǎo)航路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)獲取所述施工機(jī)器人周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)；

55、障礙物特征提取處理模塊，用于對(duì)所述環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行障礙物特征提取處理，獲取各障礙物信息、移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果和威脅等級(jí)；

56、避障指令生成模塊，用于若所述各障礙物的移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果與所述第一導(dǎo)航路徑的最短距離低于安全距離閾值，則根據(jù)所述各障礙物的威脅等級(jí)，生成臨時(shí)避障方案，并根據(jù)所述臨時(shí)避障方案生成避障指令；所述臨時(shí)避障方案包括不同威脅等級(jí)對(duì)應(yīng)的不同避障策略。

57、第三方面，本技術(shù)還提供了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)本技術(shù)第一方面的基于深度學(xué)習(xí)的施工機(jī)器人自主導(dǎo)航與避障方法的任一步驟。

58、第四方面，本技術(shù)還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)本技術(shù)第一方面的基于深度學(xué)習(xí)的施工機(jī)器人自主導(dǎo)航與避障方法的任一步驟。

59、本技術(shù)提供的技術(shù)方案至少包括以下有益效果：

60、獲取施工機(jī)器人的當(dāng)前位置、施工目標(biāo)位置和所處施工現(xiàn)場(chǎng)的平面地圖，并根據(jù)平面地圖和施工機(jī)器人的當(dāng)前位置、施工目標(biāo)位置，生成第一導(dǎo)航路徑，當(dāng)施工機(jī)器人在第一導(dǎo)航路徑上運(yùn)動(dòng)時(shí)，同步實(shí)時(shí)獲取其周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行障礙物特征提取處理，得到周圍的各障礙物信息、移動(dòng)軌跡的預(yù)測(cè)結(jié)果和對(duì)應(yīng)的威脅等級(jí)，若各障礙物的移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果與第一導(dǎo)航路徑的最短距離低于安全距離閾值，則根據(jù)障礙物的威脅等級(jí)，生成臨時(shí)避障方案，最后根據(jù)生成的臨時(shí)避障方案生成避障指令。該技術(shù)方案通過深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的動(dòng)態(tài)評(píng)估，并根據(jù)障礙物的威脅等級(jí)動(dòng)態(tài)生成差異化的避障策略，提高施工機(jī)器人的避障成功率，同時(shí)提高施工效率。