机器人在危险工作环境中的态势评估方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910228230.6 (22)申请日 2019.03.25 (71)申请人 中国科学技术大学 地址 230026 安徽省合肥市包河区金寨路 96号 (72)发明人 于星橦孙朝岳李金龙邓文杰 鲜文瀚陈俊羽姜博文郑非 戢凯文 (74)专利代理机构 北京凯特来知识产权代理有 限公司 11260 代理人 郑立明郑哲 (51)Int.Cl. G06F 17/50(2006.01) G06T 17/00(2006.01) (54)发明名称 机器人在危险工作环境中的态势评估方法 (57。

2、)摘要 本发明公开了一种机器人在危险工作环境 中的态势评估方法， 包括： 离线计算与在线计算 两部分； 所述离线计算时， 获取当前位置的坐标 信息、 危险源的危害半径及机器人的威胁半径， 根据获取到的上述信息来计算当前位置的危险 系数与威胁系数； 所述在线计算时， 获取危险源 所在位置、 危险源的危害半径与最大运动速度、 机器人所在位置、 机器人的威胁半径与最大运动 速度， 根据获取到的上述信息来计算目标位置的 危险系数、 威胁系数、 机器人协作系数与薄弱系 数。 通过采用本发明公开的上述方法可以准确的 实现态势评估。 权利要求书3页 说明书5页 附图1页 CN 109977536 A 201。

3、9.07.05 CN 109977536 A 1.一种机器人在危险工作环境中的态势评估方法， 其特征在于， 包括： 预先建立三维地 图， 在三维地图上定义若干个位置点， 评估过程包括离线计算与在线计算两部分； 所述离线计算时， 获取当前位置的坐标信息、 危险源的危害半径及机器人的威胁半径， 根据获取到的上述信息来计算当前位置的危险系数与威胁系数； 所述在线计算时， 获取危险源所在位置、 危险源的危害半径与最大运动速度、 机器人所 在位置、 机器人的威胁半径与最大运动速度， 根据获取到的上述信息来计算目标位置的危 险系数、 威胁系数、 机器人协作系数与薄弱系数； 根据离线计算和/或在线计算结果，。

4、 获得三维地图上各个位置点的态势评估结果， 从而 得到态势图。 2.根据权利要求1所述的一种机器人在危险工作环境中的态势评估方法， 其特征在于， 所述离线计算时， 计算当前位置的危险系数的步骤包括： 将获取到的当前位置的坐标信息记为(x,y,z)， 危险源的危害半径记为r； 以(x,z)为圆心， r为外半径， 构建一个圆形区域， 在圆形区域均匀取m2*r*5个点， 并 获取m个点的位置信息； 假设这m个位置点均存在危险源， 逐一判断这m个位置点是否能危害到当前位置， 若当 前位置在一个位置点的危害半径r以内， 认为能够危害到当前位置， 则对当前位置的危险系 数+1， 最终结果即为当前位置的危险。

5、系数。 3.根据权利要求2所述的一种机器人在危险工作环境中的态势评估方法， 其特征在于， 所述离线计算时， 计算当前位置的威胁系数的步骤包括： 将获取到的当前位置的坐标信息记为(x,y,z)， 机器人的威胁半径记为r； 以(x,z)为圆心， r为外半径， 构建一个圆形区域， 在圆形区域均匀取k个点， 并获取k个 点的位置信息； 假设这k个位置点均存在机器人， 逐一判断这k个位置点是否能威胁到当前位置， 若当 前位置在一个位置点的威胁半径r以内， 认为能够威胁到当前位置， 则将相应位置的危险 系数加入到当前位置的威胁系数中， 最终结果即为当前位置的威胁系数。 4.根据权利要求1所述的一种机器人在。

6、危险工作环境中的态势评估方法， 其特征在于， 所述在线计算时， 计算目标位置的危险系数的步骤包括： 将危险源所在位置记为(x1,y1,z1)， 危险源的危害半径记为r1， 危险源的最大运动速 度记为v1， 机器人的最大移动速度记为v2， 设置参数t为时间长度； 则v1t为危险源在t时间 内最大移动距离， v2t为机器人在t时间内最大移动距离， (v2-v1)t为机器人在靠近危险源 时， t时间内的距离差； 以(x1,z1)为圆心， 若(v2-v1)t0， 则以(v2-v1)t+r1为半径构建一个圆形区域； 否则， 以r1为半径构建一个圆形区域； 圆形区域内的所有二维点对应的三维位置， 即为需要。

7、计算 危险系数的目标位置； 记任一个目标位置的坐标信息为(m1,n1,s1)， 计算目标位置与危险源所在位置之间的 距离D1， 则目标位置距离危险源所在位置的威胁半径为r1-D1； 结合(v1-v2)t， 当(v1-v2)t 0， 取(v1-v2)t0， 否则保留原值； 以置(m1,s1)为圆心， r1-D1+(v1-v2)t为半径构建一个圆 形区域， 取圆形区域各二维点对应的三维位置为待计算位置， 逐一计算这些待计算位置是 否能被危险源危害到， 如果一个待计算位置在危险源的危害半径r1以内， 认为能够被危险 权利要求书 1/3 页 2 CN 109977536 A 2 源危害到， 则对目标位。

8、置的危险系数+1， 最终计算结果为即目标位置的危险系数。 5.根据权利要求1所述的一种机器人在危险工作环境中的态势评估方法， 其特征在于， 所述在线计算时， 计算目标位置的威胁系数的步骤包括： 将机器人所在位置记为(x2,y2,z2)， 代表当前位置的机器人， 机器人的消除危险源半 径记为r2， 危险源的最大运动速度记为v1， 机器人的最大移动速度记为v2， 设置参数t为时 间长度； 则v1t为危险源在t时间内最大移动距离， v2t为机器人在t时间内最大移动距离， (v2-v1)t为机器人在靠近危险源时， t时间内的距离差； 以(x2,z2)为圆心， 若(v2-v1)t0， 则以(v2-v1)。

9、t+r2为半径构建一个圆形区域； 否则， 以r2为半径构建一个圆形区域； 圆形区域内的所有二维点对应的三维位置， 即为需要计算 危险系数的目标位置； 记任一个目标位置的坐标信息为(m2,n2,s2)， 且目标位置存在一个机器人； 结合(v2- v1)t， 当(v2-v1)t0， 取(v2-v1)t0， 否则保留原值； 以(m2,s2)为圆心， r2+(v2-v1)t为半 径构建一个圆形区域， 取圆形区域各二维点对应的三维位置为待计算位置， 逐一计算这些 待计算位置是否能被目标位置的机器人消除， 如果一个待计算位置在目标位置的机器人的 消除危险源半径r2以内， 认为能够被目标位置的机器人消除， 。

10、则对目标位置的在线威胁系 数+1， 最终计算结果即目标位置的威胁系数。 6.根据权利要求1所述的一种机器人在危险工作环境中的态势评估方法， 其特征在于， 所述在线计算时， 计算目标位置的机器人协作系数的步骤包括： 将当前机器人所在位置记为(x3,y3,z3)， 其他机器人的威胁半径记为r3， 其他机器人 的最大移动速度记为v3， 危险源的最大运动速度记为v1， 设置参数t为时间长度； 则v1t为危 险源在t时间内最大移动距离， v3为其他机器人在t时间内最大移动距离， (v3-v1)t为其他 机器人在靠近危险源时， t时间内的距离差； 以(x3,z3)为圆心， 若(v3-v1)t0， 则以(v。

11、3-v1)t+r3为半径构建一个圆形区域； 否则， 以r3为半径构建一个圆形区域； 圆形区域内的所有二维点对应的三维位置， 即为需要计算 机器人协作系数的目标位置； 记任一个目标位置的坐标信息为(m3,n3,s3)， 计算目标位置与当前机器人所在位置之 间的距离D3， 则目标位置距离其他机器人所在位置的威胁半径为r1-D3； 结合(v3-v1)t， 当 (v3-v1)t0， 取(v3-v1)t0， 否则保留原值； 以(m3,s3)为圆心， r3-D3+(v3-v1)t为半径构 建一个圆形区域， 取圆形区域各二维点对应的三维位置为待计算位置， 逐一计算这些待计 算位置是否能被其他机器人消除， 如。

12、果一个待计算位置在其他机器人的威胁半径r3以内， 认为能够被其他机器人消除， 能则对目标位置的机器人协作系数+1， 最终计算结果即目标 位置的机器人协作系数。 7.根据权利要求1所述的一种机器人在危险工作环境中的态势评估方法， 其特征在于， 所述在线计算时， 计算目标位置的薄弱系数的步骤包括： 对于单独存在的机器人， 其所在位置记为(x4,y4,z4)， 危险源的危害半径记为r1； 以 (x4,z4)为圆心， r1为半径构建一个圆形区域， 圆形区域内所有二维点对应的三维位置即为 需要计算的目标位置； 对于任一个目标位置， 根据机器人的朝向， 机器人的旋转速度计算出 各个方向的薄弱系数； 计算目。

13、标位置是否能危害到机器人， 假设目标位置上存在机器人， 若 目标位置上的机器人与单独存在的机器人之间的距离小于目标位置上的机器人的危险半 权利要求书 2/3 页 3 CN 109977536 A 3 径， 认为能危害到单独存在的机器人， 则根据与机器人间的夹角选取相应的方向的薄弱系 数为相应目标位置的薄弱系数； 对于周围存在其他机器人的机器人， 各机器人以其所在位置的x、 y坐标为圆心， r1为半 径各自构建一个圆形区域， 不同圆形区域的相交位置即为目标位置； 每一目标位置至少对 应两个机器人， 将每一个机器人看作单独存在的机器人， 通过上述方法每一目标至少计算 出两个薄弱系数， 取最小值作为。

14、相应目标位置的薄弱系数。 权利要求书 3/3 页 4 CN 109977536 A 4 机器人在危险工作环境中的态势评估方法 技术领域 0001 本发明涉及计算机、 人工智能以及机器人技术领域， 尤其一种涉及机器人在危险 工作环境中的态势评估方法。 背景技术 0002 机器人工作在危险环境中时， 由于环境因素导致机器人损毁率较高， 因此， 需要机 器人具备态势评估的能力， 以判断周围环境危险程度， 从而提高机器人自身的安全， 但是， 目前还没有较为有效的方案。 0003 例如， 专利CN201710889814.9公开了一种基于数据驱动的舰船三位态势图展示方 法。 此技术是针对海上舰船的态势图。

15、展示， 所使用的方法是基于计算机图形学， 在屏幕上绘 制三维效果的场景和物体， 其实质为一种展示方法， 无法实现态势评估。 发明内容 0004 本发明的目的是提供一种涉及机器人在危险工作环境中的态势评估方法， 可以准 确的实现态势评估。 0005 本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 0006 一种机器人在危险工作环境中的态势评估方法， 包括： 预先建立三维地图， 在三维 地图上定义若干个位置点， 评估过程包括离线计算与在线计算两部分； 0007 所述离线计算时， 获取当前位置的坐标信息、 危险源的危害半径及机器人的威胁 半径， 根据获取到的上述信息来计算当前位置的危险系数与威胁系数； 00。

16、08 所述在线计算时， 获取危险源所在位置、 危险源的危害半径与最大运动速度、 机器 人所在位置、 机器人的威胁半径与最大运动速度， 根据获取到的上述信息来计算目标位置 的危险系数、 威胁系数、 机器人协作系数与薄弱系数； 0009 根据离线计算和/或在线计算结果， 获得三维地图上各个位置点的态势评估结果， 从而得到态势图。 0010 由上述本发明提供的技术方案可以看出， 可以使得机器人在危险环境下工作时准 确地评判不同地点的危险程度， 以此为依据做出安全的行为， 这大大降低了机器人的损毁 可能性， 提高了机器人完成目标任务的成功率。 附图说明 0011 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案。

17、， 下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本 领域的普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他 附图。 0012 图1为本发明实施例提供的一种涉及机器人在危险工作环境中的态势评估方法的 流程图； 说明书 1/5 页 5 CN 109977536 A 5 0013 图2为本发明实施例提供的计算的危险系数示意图； 0014 图3为本发明实施例提供的计算的威胁系数示意图； 0015 图4为本发明实施例提供的计算的协作系数示意图。 具体实施方式 0016 下面结合本发明实施例中的附图， 对本。

18、发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整 地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本 发明的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例， 都属于本发明的保护范围。 0017 本发明实施例提供一种机器人在危险工作环境中的态势评估方法， 所述危险工作 环境是指由计算机软件模拟虚拟环境， 其基本特征是三维地形； 在虚拟环境中有n个危险源 和n个机器人。 n个危险源均具有特定的威胁方式、 威胁半径、 正面朝向、 旋转速度、 移动速度 这几种属性， 可以自由移动。 n个机器人均具有降低危险源威胁性的能力： 消除危险源的攻 击。

19、能力、 转向能力、 移动能力。 其中需要注意的是： 对于危险源而言， 机器人也是危险源。 本 发明适用于对上述条件下的虚拟环境进行总体性的危险系数、 威胁系数等系数评估。 0018 本发明实施例中态势评估可以用输入-算法-输出模型的方式来描述： 0019 输入为： 虚拟环境的三维空间图， 危险源的信息， 机器人的信息。 0020 算法的核心思想为： 通过仿真模拟和数据融合的方式实现对虚拟环境的态势评 估。 0021 输出为： 将虚拟环境的三维空间图投影到二维平面， 在平面上均匀取若干个位置， 输出每个位置通过算法计算得到的危险系数， 威胁系数等系数的值。 0022 本发明实施例中， 预先建立了。

20、一个三维地图， 在三维地图上进行态势分析。 目标是 计算地图中各个位置的相关系数， 然后以图的形式表现出各个位置的系数， 即得到态势图。 所述的各个位置是预先定义的位置点， 也就是下文所提到的当前位置、 目标位置、 以及某些 区域内部的位置点等。 下文所涉及的各项系数的计算过程中， 所涉及的二维位置即之取点 的xy水平面坐标， 转化为三维即取该点的xyz坐标。 0023 如图1所示， 态势评估包括： 离线计算与在线计算两部分； 0024 1、 离线计算时， 获取当前位置的坐标信息、 危险源的危害半径及机器人的威胁半 径， 根据获取到的上述信息来计算当前位置的危险系数与威胁系数。 0025 可以。

21、将获取到的当前位置的坐标信息记为(x,y,z)， 危险源的危害半径记为r， 机 器人的威胁半径记为r。 0026 1)计算当前位置的危险系数的步骤包括： 0027 以(x,z)为圆心， r为外半径， 构建一个圆形区域， 在圆形区域均匀取m2*r*5个 点， 并获取m个点的位置信息； 假设这m个位置点均存在危险源， 逐一判断这m个位置点是否 能危害到当前位置， 若当前位置在一个位置点的危害半径r以内， 认为能够危害到当前位 置， 则将当前位置的危险系数+1， 最终结果即为当前位置的危险系数。 0028 2)计算当前位置的威胁系数的步骤包括： 0029 以(x,z)为圆心， r为外半径， 构建一个。

22、圆形区域， 在圆形区域均匀取k个点， 并获 取k个点的位置信息； 假设这k个位置点均存在机器人， 逐一判断这k个位置点是否能威胁到 说明书 2/5 页 6 CN 109977536 A 6 当前位置， 若当前位置在一个位置点的威胁半径r以内， 认为能够威胁到当前位置， 则将相 应位置的危险系数加入到当前位置的威胁系数中， 最终结果即为当前位置的威胁系数。 也 即在理想情况下， 所述k个位置点与前述m个位置点是重合的。 0030 2、 在线计算时， 获取危险源所在位置、 危险源的危害半径与最大运动速度、 机器人 所在位置、 机器人的威胁半径与最大运动速度， 根据获取到的上述信息来计算目标位置的 。

23、危险系数、 威胁系数、 机器人协作系数与薄弱系数。 0031 1)计算目标位置的危险系数的步骤包括： 0032 将危险源所在位置记为(x1,y1,z1)， 危险源的危害半径记为r1， 危险源的最大运 动速度记为v1， 机器人的最大移动速度记为v2， 设置参数t为时间长度； 则v1t为危险源在t 时间内最大移动距离， v2t为机器人在t时间内最大移动距离， (v2-v1)t为机器人在靠近危 险源时， t时间内的距离差； 0033 以(x1,z1)为圆心， 若(v2-v1)t0， 则以(v2-v1)t+r1为半径构建一个圆形区域； 否 则， 以r1为半径构建一个圆形区域； 圆形区域内的所有二维点对。

24、应的三维位置， 即为需要计 算危险系数的目标位置； 0034 记任一个目标位置的坐标信息为(m1,n1,s1)， 计算目标位置与危险源所在位置之 间的距离D1， 则目标位置距离危险源所在位置的威胁半径为r1-D1； 结合(v1-v2)t， 当(v1- v2)t0， 取(v1-v2)t0， 否则保留原值； 以(m1,s1)为圆心， r1-D1+(v1-v2)t为半径构建一 个圆形区域， 取圆形区域各二维点对应的三维位置为待计算位置， 逐一计算这些待计算位 置是否能被危险源危害到， 如果一个待计算位置在危险源的危害半径r1以内， 认为能够被 危险源危害到， 则对目标位置的危险系数+1， 最终计算结。

25、果为即目标位置的危险系数。 0035 2)计算目标位置的威胁系数的步骤包括： 0036 将机器人所在位置记为(x2,y2,z2)， 代表当前位置的机器人， 机器人的消除危险 源半径记为r2， 危险源的最大运动速度记为v1， 机器人的最大移动速度记为v2， 设置参数t 为时间长度； 则v1t为危险源在t时间内最大移动距离， v2t为机器人在t时间内最大移动距 离， (v2-v1)t为机器人在靠近危险源时， t时间内的距离差； 0037 以(x2,z2)为圆心， 若(v2-v1)t0， 则以(v2-v1)t+r2为半径构建一个圆形区域； 否 则， 以r2为半径构建一个圆形区域； 圆形区域内的所有二。

26、维点对应的三维位置， 即为需要计 算威胁系数的目标位置； 0038 记任一个目标位置的坐标信息为(m2,n2,s2)， 且目标位置存在一个机器人； 结合 (v2-v1)t， 当(v2-v1)t0， 取(v2-v1)t0， 否则保留原值； 以(m2,s2)为圆心， r2+(v2-v1)t 为半径构建一个圆形区域， 取圆形区域各二维点对应的三维位置为待计算位置， 逐一计算 这些待计算位置是否能被目标位置的机器人消除， 如果一个待计算位置在目标位置的机器 人的消除危险源半径r2以内， 认为能够被目标位置的机器人消除， 则对目标位置的在线威 胁系数+1， 最终计算结果即目标位置的威胁系数。 0039 。

27、3)计算目标位置的机器人协作系数的步骤包括： 0040 将当前机器人所在位置记为(x3,y3,z3)， 其他机器人的威胁半径记为r3， 其他机 器人的最大移动速度记为v3， 危险源的最大运动速度记为v1， 设置参数t为时间长度； 则v1t 为危险源在t时间内最大移动距离， v3t为其他机器人在t时间内最大移动距离， (v3-v1)t为 其他机器人在靠近危险源时， t时间内的距离差； 说明书 3/5 页 7 CN 109977536 A 7 0041 以(x3,z3)为圆心， 若(v3-v1)t0， 则以(v3-v1)t+r3为半径构建一个圆形区域； 否 则， 以r3为半径构建一个圆形区域； 圆。

28、形区域内的所有二维点对应的三维位置， 即为需要计 算机器人协作系数的目标位置； 0042 记任一个目标位置的坐标信息为(m3,n3,s3)， 计算目标位置与当前机器人所在位 置之间的距离D3， 则目标位置距离其他机器人所在位置的威胁半径为r1-D3； 结合(v3-v1) t， 当(v3-v1)t0， 取(v3-v1)t0， 否则保留原值； 以(m3,s3)为圆心， r3-D3+(v3-v1)t为半 径构建一个圆形区域， 取圆形区域各二维点对应的三维位置为待计算位置， 逐一计算这些 待计算位置是否能被其他机器人消除， 如果一个待计算位置在其他机器人的威胁半径r3以 内， 认为能够被其他机器人消除。

29、， 则对目标位置的机器人协作系数+1， 最终计算结果即目标 位置的机器人协作系数。 0043 4)计算目标位置的薄弱系数的步骤包括： 0044 对于单独存在的机器人， 其所在位置记为(x4,y4,z4)， 危险源的危害半径记为r1； 以(x4,z4)为圆心， r1为半径构建一个圆形区域， 圆形区域内所有二维点对应的三维位置即 为需要计算的目标位置； 对于任一个目标位置， 根据机器人的朝向， 机器人的旋转速度计算 出各个方向的薄弱系数； 计算目标位置是否能危害到机器人， 假设目标位置上存在机器人， 若目标位置上的机器人与单独存在的机器人之间的距离小于目标位置上的机器人的危险 半径， 认为能危害到。

30、单独存在的机器人， 则根据目标位置与机器人间的夹角选取相应的方 向的薄弱系数为相应目标位置的薄弱系数； 0045 对于周围存在其他机器人的机器人， 各机器人以其所在位置的x、 y坐标为圆心， r1 为半径各自构建一个圆形区域， 不同圆形区域的相交位置即为目标位置； 每一目标位置至 少对应两个机器人， 将每一个机器人看作单独存在的机器人， 通过上述方法每一目标至少 计算出两个薄弱系数， 取最小值作为相应目标位置的薄弱系数。 0046 最终， 根据离线计算和/或在线计算结果， 获得三维地图上各个位置点的态势评估 结果， 从而得到态势图。 0047 本发明实施例提供的上述方案， 通过仿真模拟和数据融。

31、合的方式， 实现的态势的 准确评估。 0048 下面以灰度图的方式表示针对一定区域， 计算出的危险系数， 威胁系数与协作系 数； 如图2图4所示， 分别为危险系数， 威胁系数与协作系数的示例； 这些附图中o表示当前 机器人， 符号x表示危险源， 符号*表示其他机器人， 虚拟环境地图选取的是400*400规模。 所 计算的各个系数都是目标位置的系数， 目标位置可以在二维地图上体现。 图2图4， 点的深 浅反映了目标位置的某种系数的大小， 通过图形的方式可以直观体现了一个地图的态势分 析结果， 而态势分析， 就是是分析地图上的各个位置的信息， 态势图即以图的方式表现出这 些位置的信息。 0049 。

32、通过以上的实施方式的描述， 本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可 以通过软件实现， 也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。 基于这样的理解， 上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来， 该软件产品可以存储在一个非易 失性存储介质(可以是CD-ROM， U盘， 移动硬盘等)中， 包括若干指令用以使得一台计算机设 备(可以是个人计算机， 服务器， 或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。 0050 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 说明书 4/5 页 8 CN 109977536 A 8 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。 说明书 5/5 页 9 CN 109977536 A 9 图1 图2 图3 图4 说明书附图 1/1 页 10 CN 109977536 A 10 。