CN105303595A - 一种基于三维虚拟场景的物体智能避障方法及系统 - Google Patents
一种基于三维虚拟场景的物体智能避障方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于三维虚拟场景的物体智能避障方法及系统，其中，方法包括步骤：计算出控制射线与控制射线方向上的障碍物的交点；根据所述交点计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离；当所述距离处于预定距离范围内时，转步骤E1：分别计算目标物体与左前方障碍物之间距离和目标物体与右前方障碍物之间距离，并确定空旷方向，然后将目标物体的运动方向和控制射线方向转向空旷方向；当所述距离大于所述预定距离范围时，转步骤E2：控制目标物体沿控制射线向前移动；当所述距离小于所述预定距离范围时，转步骤E3：控制目标物体沿控制射线向后移动。本发明避障方法算法简单，可避开各种类型障碍物，实现目标物体的自由移动。
Description
技术领域
本发明涉及三维虚拟技术领域，尤其涉及一种基于三维虚拟场景的物体智能避障方法及系统。
背景技术
三维虚拟场景是虚拟现实技术、计算机动画仿真、虚拟控制等领域的基础和重要组成部分，三维虚拟场景可在计算机上实现对现实世界的重建。在三维虚拟场景中可以模拟各种真实场景。碰撞检测在虚拟场景中的应用非常重要，在此技术上能够模拟出更加逼真的动画场景。物体的避障和路径规划在现实中已经得到部分实现，也可通过模拟仿真的方法，在三维虚拟场景中实现物体的智能避障功能。目前虚拟场景中避障主要是通过避障路径规划算法，需要确定起点和目标节点，物体只能沿着规划好的路径运动，这种方式算法复杂，避障的自由性受到很大限制。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于三维虚拟场景的物体智能避障方法及系统，旨在解决现有的避障方法算法复杂、只能沿着规划路径运动、避障自由性受到限制的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于三维虚拟场景的物体智能避障方法，其中，包括步骤：
A、在三维虚拟场景中构建障碍物和目标物体；
B、在目标物体上构建一条指向目标物体运动方向正前方的控制射线；
C、计算控制射线与控制射线方向上的障碍物的交点；
D、根据所述交点计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离；
E、当所述距离处于预定距离范围内时，转步骤E1：分别计算目标物体与左前方障碍物之间距离和目标物体与右前方障碍物之间距离，并确定空旷方向，然后将目标物体的运动方向和控制射线方向转向空旷方向，再返回步骤C；当所述距离大于所述预定距离范围时，转步骤E2：控制目标物体沿控制射线向前移动；当所述距离小于所述预定距离范围时，转步骤E3：控制目标物体沿控制射线向后移动。
所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障方法，其中，所述步骤E1包括：
E11、先将控制射线向第一方向转动第一角度，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给right；再将控制射线向第二方向转动第一角度的2倍，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给left，第一方向与第二方向相反；
E12、判断left是否大于right，当是时进入步骤E13，否则转入步骤E14；
E13、当left小于距离阈值时，将控制射线向第二方向转动第一角度，且将目标物体运动方向向第二方向转动第一角度的2倍；当left大于距离阈值时，将目标物体运动方向向第二方向转动第一角度，同时返回步骤C；
E14、当right小于距离阈值时，将控制射线向第一方向转动第一角度的3倍，且将目标物体运动方向向第一方向转动第一角度的2倍；当right大于距离阈值时，将控制射线向第一方向转动第一角度的2倍，且将目标物体运动方向向第一方向转动第一角度，同时返回步骤C。
所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障方法，其中，所述第一方向为向左或向右。
所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障方法，其中，所述第一角度为15度。
一种基于三维虚拟场景的物体智能避障系统，其中，包括：
场景构建模块，用于在三维虚拟场景中构建障碍物和目标物体；
射线构建模块，用于在目标物体上构建一条指向目标物体运动方向正前方的控制射线；
交点计算模块，用于计算控制射线与控制射线方向上的障碍物的交点；
距离计算模块，用于根据所述交点计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离；
避障模块，用于当所述距离处于预定距离范围内时，转第一单元：分别计算目标物体与左前方障碍物之间距离和目标物体与右前方障碍物之间距离，并确定空旷方向，然后将目标物体的运动方向和控制射线方向转向空旷方向，再返回交点计算模块；当所述距离大于所述预定距离范围时，转第二单元：控制目标物体沿控制射线向前移动；当所述距离小于所述预定距离范围时，转第三单元：控制目标物体沿控制射线向后移动。
所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障系统，其中，所述第一单元具体包括：
控制射线转动子单元，用于先将控制射线向第一方向转动第一角度，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给right；再将控制射线向第二方向转动第一角度的2倍，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给left，第一方向与第二方向相反；
判断子单元，用于判断left是否大于right，当是时进入左转子单元，否则转入右转子单元；
左转子单元，用于当left小于距离阈值时，将控制射线向第二方向转动第一角度，且将目标物体运动方向向第二方向转动第一角度的2倍；当left大于距离阈值时，将目标物体运动方向向第二方向转动第一角度，同时返回交点计算模块；
右转子单元，用于当right小于距离阈值时，将控制射线向第一方向转动第一角度的3倍，且将目标物体运动方向向第一方向转动第一角度的2倍；当right大于距离阈值时，将控制射线向第一方向转动第一角度的2倍，且将目标物体运动方向向第一方向转动第一角度，同时返回交点计算模块。
所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障系统，其中，所述第一方向为向左或向右。
所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障系统，其中，所述第一角度为15度。
有益效果：本发明的方法不需要复杂的路径规划算法，也不需要确定起点和目标节点，无需规划一条确定的避障路径，而是在目标物体的运动过程中，实时计算目标物体与前方障碍物之间的距离，来实时确定下一步移动的最佳路线，在整个避障过程中，具体避障路径由前方障碍物的情况决定，在具有大量复杂障碍物的虚拟场景中，目标物体也能很好的躲避障碍物，实现自由移动。
附图说明
图1为本发明一种基于三维虚拟场景的物体智能避障方法较佳实施例的流程图。
图2为图1所示方法中步骤S103的具体流程图。
图3为图1所示方法中步骤E1的具体流程图。
图4为本发明一种基于三维虚拟场景的物体智能避障系统较佳实施例的结构框图。
图5为图4所示系统中交点计算模块的具体结构框图。
图6为图4所示系统中第一单元的具体结构框图。
具体实施方式
本发明提供一种基于三维虚拟场景的物体智能避障方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明一种基于三维虚拟场景的物体智能避障方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括步骤：
S101、在三维虚拟场景中构建障碍物和目标物体；
S102、在目标物体上构建一条指向目标物体运动方向正前方的控制射线；
S103、计算出控制射线与控制射线方向上的障碍物的交点；
S104、根据所述交点计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离；
S105、当所述距离处于预定距离范围内时，转步骤E1：分别计算目标物体与左前方障碍物之间距离和目标物体与右前方障碍物之间距离，并确定空旷方向，然后将目标物体的运动方向和控制射线方向转向空旷方向，再返回步骤S103；当所述距离大于所述预定距离范围时，转步骤E2：控制目标物体沿控制射线向前移动；当所述距离小于所述预定距离范围时，转步骤E3：控制目标物体沿控制射线向后移动。
在步骤S101中，首先在三维虚拟场景中，导入各种不同的3D模型作为障碍物，并通过OpenGL图形渲染工具，将各种不规则的3D模型渲染成逼真的障碍物，再将各障碍物固定在三维虚拟场景中，即障碍物在三维虚拟场景中处于静止状态。在三维虚拟场景中，导入的目标物体可以是机器人、车辆、人物等等各种3D模型，通过前述同样的方式将目标物体渲染成逼真的3D模型，且目标物体在这个三维虚拟场景中以一定的速度向前运动，即目标物体处于运动状态。
在步骤S102中，本发明实施例在目标物体运动方向构建一条足够长的虚拟的控制射线，具体来说，在三维虚拟场景中，导入的目标物体是一堆数据，所以可根据这些数据计算出目标物体的中心坐标，在初始化三维虚拟场景和目标物体时，可确定目标物体运动方向正前方的方向向量为，目标物体在运动过程中，实时计算其中心坐标，以这个中心坐标的位置为起点，沿着的方向绘制出一条足够长的虚拟射线即为所需控制射线。构建该控制射线的目的是为了计算出目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，以确定目标物体的移动方向。
具体来说，如图2所示，所述步骤S103具体包括步骤：
S201、计算出如下方程中满足不为零的值：
；
其中，为控制射线起点，为控制射线方向，、、分别为障碍物某个三角形的三个顶点，，分别是顶点和的权重，，，；
S202、求出的值代入中，计算出控制射线与障碍物的交点。
具体来说，假设控制射线的起点（即目标物体中心坐标）为，控制射线的方向为，则控制射线可以表示为()，在三维虚拟场景中，3D模型的障碍物的每个三角形网格顶点存储在顶点数组中，依次对每个三角形进行相交性检测。假设其中某个三角形的顶点分别为，，，并且，分别是顶点和的权重，三角形的参数方程可以表示为：，并且需要同时满足，，。
求解控制射线与三角形的具体交点，只需通过方程：
，求出一个不等于零的，然后把求出的值代入到控制射线的方程中：，就可以计算出控制射线与障碍物的具体交点。
在步骤S104中，求出具体交点之后，就可以计算出目标物体中心坐标与正前方障碍物之间的距离dis：
；为控制射线与障碍物的交点，为在X轴上的投影，为在Y轴上的投影，为在Z轴上的投影，为在X轴上的投影，为在Y轴上的投影，为在Z轴上的投影。
在计算出距离dis后，可根据该距离判断是转动控制射线，还是控制目标物体前进或后退，具体来说，在该计算到的距离大于预定距离范围时，则说明目标物体与控制射线方向上的障碍物具有足够长的距离，正前方具有足够的空间供目标物体向前运动，所以调用前进子程序控制目标物体向前运动；在计算到的距离小于预定距离范围时，则说明目标物体与控制射线方向上的障碍物之间距离不够长，所以调用后退子程序控制目标物体向后运动。而在计算到的距离处于预定距离范围内时，则需要转动控制射线，分别计算目标物体与左前方障碍物之间距离和目标物体与右前方障碍物之间距离，判断左前方及右前方哪边具有足够空间供目标物体转动后向前移动，即确定空旷方向，将目标物体的运动方向和控制射线转向空旷方向，进行避障。
具体来说，如图3所示，所述步骤E1具体包括：
S301、先将控制射线右转第一角度，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给right；再将控制射线左转第一角度的2倍，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给left；
S302、判断left是否大于right，当是时进入步骤S303，否则转入步骤S304；
S303、当left小于距离阈值时，将控制射线左转第一角度，且将目标物体运动方向左转第一角度的2倍；当left大于距离阈值时，将目标物体运动方向左转第一角度，同时返回步骤S103；
S304、当right小于距离阈值时，将控制射线右转第一角度的3倍，且将目标物体运动方向右转第一角度的2倍；当right大于距离阈值时，将控制射线右转第一角度的2倍，且将目标物体运动方向右转第一角度，同时返回步骤S103。
举例来说，该预定距离范围为30~40，即在计算到30<dis<40时，说明遇到障碍物，先控制目标物体停止运动，并将控制射线右转第一角度，在本实施例中，将该第一角度设定为15度，显然也可根据实际情况调整第一角度的值。即先控制射线右转15度，再计算控制射线方向上的障碍物与目标物体之间的距离（以下简称为射线距离），将射线距离赋值给right，然后将控制射线左转30度，再计算射线距离，将射线距离赋值给left，即分别获得射线初始方向的左前方和右前方的射线距离。
然后比较right与left的大小，目标物体在避障时会选择更加空旷的方向移动，若right大于left，说明右前方比左前方空旷，反之说明左前方比右前方空旷。
在左前方比右前方更空旷时，若left<30，则将控制射线再左转15度，同时将目标物体运动方向左转30度，然后计算射线距离，即回到步骤S103，此步骤是在计算出距离小于预定距离范围的时候，再次回到步骤S103计算交点然后计算射线距离，判断新的射线距离与预定距离范围之间的关系，继续进行避障；若left>30，因为射线已经相对于目标物体正前方左转15度，所以直接将目标物体运动方向左转15度即可使控制射线与目标物体运动方向一致，再计算交点及射线距离，即回到步骤S103。
在右前方比左前方更加空旷时，若right<30，则将控制射线右转45度，且将目标物体运动方向右转30度，然后计算射线距离；若right>30，则将控制射线右转30度，且将目标物体运动方向右转15度，再计算射线距离。
总的来说，本发明的避障算法，是在目标物体运动过程中，实时转动控制射线方向，而目标物体无需过多转动，所以减少了实时构建渲染目标物体的时间，加快了检测和计算距离的速度，并且根据dis、right、left的大小，自动判断下一次的转向和运动状态，从而确定下一步移动的最佳路线，避开虚拟场景中的所有障碍物，向更加空旷的方向移动，实现目标物体的自由移动，能将现实中的避障场景真实的仿真模拟出来，在上述实施例中，采用的先将控制射线右转第一角度，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，显然，也可以先将控制射线左转第一角度，然后再计算距离，同样可实现本发明的目的。
在上述步骤中，在转动控制射线时，控制射线初始的方向为，控制射线转动后的方向为：
=；为惯性坐标系转换到物体坐标系的转换矩阵
举例来说，在初始化时，目标物体坐标系定义为惯性坐标系，控制射线转动后的方向可通过以下方式获得，控制射线从惯性坐标系转换到物体坐标系，因此用欧拉角序列直接产生惯性-物体旋转矩阵的一般形式：。
P、Y、R分别为pitch、yaw、roll的旋转矩阵，分别绕X、Y、Z轴旋转，pitch、yaw、roll的角度分别为，，，三个旋转角的独立旋转矩阵为
最终依次绕三个轴旋转的矩阵为
即若控制射线的初始方向为，转动后的方向为，那么=。
基于上述方法，本发明还提供一种基于三维虚拟场景的物体智能避障系统较佳实施例，如图4所示，其包括：
场景构建模块100，用于在三维虚拟场景中构建障碍物和目标物体；
射线构建模块200，用于在目标物体上构建一条指向目标物体运动方向正前方的控制射线；
交点计算模块300，用于计算控制射线与控制射线方向上的障碍物的交点；
距离计算模块400，用于所述交点计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离；
避障模块500，用于当所述距离处于预定距离范围内时，转第一单元：分别计算目标物体与左前方障碍物之间距离和目标物体与右前方障碍物之间距离，并确定空旷方向，然后将目标物体的运动方向和控制射线方向转向空旷方向，再返回交点计算模块；当所述距离大于所述预定距离范围时，转第二单元：控制目标物体沿控制射线向前移动；当所述距离小于所述预定距离范围时，转第三单元：控制目标物体沿控制射线向后移动。
进一步，如图5所示，所述交点计算模块300包括：
第一计算单元310，用于计算出如下方程中满足不为零的值：
；
其中，为控制射线起点，为控制射线方向，、、分别为障碍物某个三角形的三个顶点，，分别是顶点和的权重，，，；
第二计算单元320，用于求出的值代入中，计算出控制射线与障碍物的交点。
进一步，如图6所示，所述第一单元具体包括：
控制射线转动子单元510，用于先将控制射线向第一方向转动第一角度，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给right；再将控制射线向第二方向转动第一角度的2倍，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给left，第一方向与第二方向相反；
判断子单元520，用于判断left是否大于right，当是时进入左转子单元，否则转入右转子单元；
左转子单元530，用于当left小于距离阈值时，将控制射线向第二方向转动第一角度，且将目标物体运动方向向第二方向转动第一角度的2倍；当left大于距离阈值时，将目标物体运动方向向第二方向转动第一角度，同时返回交点计算模块；
右转子单元540，用于当right小于距离阈值时，将控制射线向第一方向转动第一角度的3倍，且将目标物体运动方向向第一方向转动第一角度的2倍；当right大于距离阈值时，将控制射线向第一方向转动第一角度的2倍，且将目标物体运动方向向第一方向转动第一角度，同时返回交点计算模块。
优选的，所述第一方向为向左或向右。所述第一角度为15度。
进一步，所述避障模块500还包括：
方向计算单元，用于在转动控制射线时，控制射线初始的方向为，控制射线转动后的方向为：
=；为惯性坐标系转换到物体坐标系的转换矩阵。
关于上述模块单元的技术细节在前面的方法中已有详述，故不再赘述。
综上所述，本发明的方法不需要复杂的路径规划算法，也不需要确定起点和目标节点，无需规划一条确定的避障路径，而是在目标物体的运动过程中，实时计算目标物体与前方障碍物之间的距离，来实时确定下一步移动的最佳路线，在整个避障过程中，具体避障路径由前方障碍物的情况决定，在具有大量复杂障碍物的虚拟场景中，目标物体也能很好的躲避障碍物，实现自由移动。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于三维虚拟场景的物体智能避障方法，其特征在于，包括步骤：
A、在三维虚拟场景中构建障碍物和目标物体；
B、在目标物体上构建一条指向目标物体运动方向正前方的控制射线；
C、计算控制射线与控制射线方向上的障碍物的交点；
D、根据所述交点计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离；
E、当所述距离处于预定距离范围内时，转步骤E1：分别计算目标物体与左前方障碍物之间距离和目标物体与右前方障碍物之间距离，并确定空旷方向，然后将目标物体的运动方向和控制射线方向转向空旷方向，再返回步骤C；当所述距离大于所述预定距离范围时，转步骤E2：控制目标物体沿控制射线向前移动；当所述距离小于所述预定距离范围时，转步骤E3：控制目标物体沿控制射线向后移动。
2.根据权利要求1所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障方法，其特征在于，所述步骤E1包括：
E11、先将控制射线向第一方向转动第一角度，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给right；再将控制射线向第二方向转动第一角度的2倍，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给left，第一方向与第二方向相反；
E12、判断left是否大于right，当是时进入步骤E13，否则转入步骤E14；
E13、当left小于距离阈值时，将控制射线向第二方向转动第一角度，且将目标物体运动方向向第二方向转动第一角度的2倍；当left大于距离阈值时，将目标物体运动方向向第二方向转动第一角度，同时返回步骤C；
E14、当right小于距离阈值时，将控制射线向第一方向转动第一角度的3倍，且将目标物体运动方向向第一方向转动第一角度的2倍；当right大于距离阈值时，将控制射线向第一方向转动第一角度的2倍，且将目标物体运动方向向第一方向转动第一角度，同时返回步骤C。
3.根据权利要求2所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障方法，其特征在于，所述第一方向为向左或向右。
4.根据权利要求2所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障方法，其特征在于，所述第一角度为15度。
5.一种基于三维虚拟场景的物体智能避障系统，其特征在于，包括：
场景构建模块，用于在三维虚拟场景中构建障碍物和目标物体；
射线构建模块，用于在目标物体上构建一条指向目标物体运动方向正前方的控制射线；
交点计算模块，用于计算控制射线与控制射线方向上的障碍物的交点；
距离计算模块，用于根据所述交点计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离；
避障模块，用于当所述距离处于预定距离范围内时，转第一单元：分别计算目标物体与左前方障碍物之间距离和目标物体与右前方障碍物之间距离，并确定空旷方向，然后将目标物体的运动方向和控制射线方向转向空旷方向，再返回交点计算模块；当所述距离大于所述预定距离范围时，转第二单元：控制目标物体沿控制射线向前移动；当所述距离小于所述预定距离范围时，转第三单元：控制目标物体沿控制射线向后移动。
6.根据权利要求5所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障系统，其特征在于，所述第一单元具体包括：
控制射线转动子单元，用于先将控制射线向第一方向转动第一角度，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给right；再将控制射线向第二方向转动第一角度的2倍，然后计算目标物体与控制射线方向上的障碍物之间的距离，并赋值给left，第一方向与第二方向相反；
判断子单元，用于判断left是否大于right，当是时进入左转子单元，否则转入右转子单元；
左转子单元，用于当left小于距离阈值时，将控制射线向第二方向转动第一角度，且将目标物体运动方向向第二方向转动第一角度的2倍；当left大于距离阈值时，将目标物体运动方向向第二方向转动第一角度，同时返回交点计算模块；
右转子单元，用于当right小于距离阈值时，将控制射线向第一方向转动第一角度的3倍，且将目标物体运动方向向第一方向转动第一角度的2倍；当right大于距离阈值时，将控制射线向第一方向转动第一角度的2倍，且将目标物体运动方向向第一方向转动第一角度，同时返回交点计算模块。
7.根据权利要求6所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障系统，其特征在于，所述第一方向为向左或向右。
8.根据权利要求6所述的基于三维虚拟场景的物体智能避障系统，其特征在于，所述第一角度为15度。
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