基于路徑規(guī)劃的智能機(jī)器人控制實驗

1、實驗技術(shù)與管理ExperimentalTechnologyandManagementISSN1002-4956CN11-2034/T第2卷NO期年月基于路徑規(guī)劃的智能機(jī)器人控制實驗張佳,陳杰,竇麗華(北京理工大學(xué)自動化學(xué)院,北京10)18摘要：針對自動化專業(yè)學(xué)生，以Pioneer3AT系列的機(jī)器人為對象，搭建了基于路徑規(guī)劃的智能機(jī)器人實驗教學(xué)平臺。在此平臺上設(shè),計并開發(fā)了分別適用于本科生及碩士研究生的系列實驗,包括基于模型的路徑規(guī)劃、全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃以及多機(jī)器人隊形控制等項3實驗內(nèi)容。該實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生接觸到先進(jìn)的智能機(jī)器人增，強學(xué)生對自動化專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣提高，了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。關(guān)鍵

2、詞智：能機(jī)器人路徑;規(guī)劃全區(qū)域;覆蓋隊形控制;中圖分類號:TP24233文獻(xiàn)標(biāo)志碼文章編號：10024956(2010)12004404IntelligentrobotcontrolexperimentsbasedonpathplanningZhangJia，ChenJie，DouLihua(SchoolofAutomatization，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081，China)Abstract:Aimingatstudentsofautomatizationmajor，thispapertakesrobotsofPioneer3ATSe

3、riesasobjectrandconstructsanintelligentobotexperimentteachingplatformbasedonpathplanning.Basedonthisplateform，aseriesofexperimentswhichappointdtoundergraduatestudentsandgrraduatestudentsrespectivelyaredesignedandexploited.Itincludesmodelbasedpathplanning，completecveagepathplanningadmultirobotformati

4、onexperiment.Theexperimetoffersanopportunityforstudentstoworkwithadvancedintelligentbcroots.Itenhancesstudentsintereststolearnautomatizationmajor.Also，studentsinnovationabilitycouldbeimprovedbytheexperiment.Keywords:intelligentrobot;pathplanning;completecoverage;formation自動化技術(shù)是一門涉及學(xué)科較多、應(yīng)用廣泛的綜合性科學(xué)技術(shù)。

5、實驗教學(xué)是自動化專業(yè)教學(xué)過程中非常重要的一1環(huán)。隨著目前機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人控制實驗已逐步進(jìn)入各個高校。機(jī)器人教學(xué)對于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和動手能力具有極其重要的作用。2在自動化專業(yè)開設(shè)機(jī)器人控制實驗課程，不僅可以讓學(xué)生接觸到國際先進(jìn)的機(jī)器人，開闊他們的眼界，還可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)先進(jìn)的控制方法，并將這些方法運用于機(jī)器人的實際控制上，擴(kuò)展他們的思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力3，為將來在控制領(lǐng)域的繼續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。為此，本校在北京市重點實驗室項目中購買了數(shù)臺機(jī)器人，針對自動化專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容及要求，開設(shè)了機(jī)器人控制實驗，取得了良好的教學(xué)效果。收稿日期:20091221修改日期:20

6、100315基金項目:北京市教育委員會共建重點實驗室資助項目(CSYS100070417)作者簡介:張佳(1980)，女，北京市人，碩士，實驗師，研究方向為機(jī)器1實驗平臺的搭(智械科技)本課程選用的機(jī)器人是美國先鋒O系列機(jī)器人。4該系列機(jī)器人是目前世界上最成熟的輪式移動機(jī)器人研究平臺之一。通常科研人員對此系列機(jī)器人的開發(fā)與研究都在控制臺程序上運行，但需要對VMa機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用接口a有較Ari深的了解，因此需要花費大量時間閱讀繁多的程序代碼，熟悉研究環(huán)境。由于實驗學(xué)時有限，為了能讓學(xué)生在最短的時間內(nèi)最大程度地掌握機(jī)器人的有關(guān)知識，首先搭建了一個簡單實用的實驗平臺。該平臺的建立能使學(xué)生在最短時間內(nèi)

7、熟悉各種底層動作在，實驗課程中掌握基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)深入的專門知識。整個平臺系統(tǒng)包括個5功能模塊用戶:操作管理模塊、通信模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和顯示管理模塊。各模塊所組成的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，它們之間通過數(shù)據(jù)信號和控制信號聯(lián)系在一起，構(gòu)成一個統(tǒng)一的整體。5在控制模塊中為學(xué)，生的實驗操作人控制、智能控制和圖像處理1994-2011ChinaAcademicJournalElectronic 張佳,等:基于路徑規(guī)劃的智能機(jī)器人控制實驗 添加到控制模塊中,通過本平臺進(jìn)行驗證。智能搜索算法如算法和算法等并將其應(yīng)用于圖1教學(xué)平臺的功能結(jié)構(gòu)圖點到目標(biāo)節(jié)點的最佳最短路徑。*2所機(jī)器人白的路徑規(guī)劃。機(jī)器

8、人運動的切線圖如圖其中為機(jī)器人的2起點為終點塊陰影覆蓋,2切區(qū)域為障礙物。圖中的各節(jié)點表示切點連接點的路徑以及障礙物的切線表示為弧。將弧上兩端點間的歐幾里德距離作(為費用)由此可以選擇從起始節(jié)圖2機(jī)器人運動的切線圖2實驗項目為了保持課程的多樣性,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情讓學(xué)生掌握更多的知識點智能機(jī)器人實驗課針對不同階段的學(xué)生提出了多項實驗內(nèi)容。目前包括基:于模型的路徑規(guī)劃、全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃和多機(jī)器人隊形控制等項3實驗內(nèi)容。其中基于模型的路徑規(guī)劃和全學(xué)生應(yīng)用A*算法求出從起始點S到目標(biāo)點G的最佳(最短路徑P。進(jìn)而使點機(jī)器人沿著路徑P進(jìn)行點到點控制(PTP)和繼續(xù)路徑控制把移動機(jī)器人引導(dǎo)到目的地。圖3

9、是某學(xué)生所完成的實驗結(jié)果。對于個2障礙物、4條可選路徑的情況他,選擇了一條從起點到終點最短的路徑。通過本實驗學(xué),生可以掌握基本的智能搜索算法,為今后進(jìn)行更為復(fù)雜的智能搜索奠定了基礎(chǔ)。區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃項2實驗是針對本科生提出的,因為實驗內(nèi)容相對簡單,并且所使用的控制算法是確定的。多機(jī)器人隊形控制實驗是針對碩士研究生提出的,本實驗包括多個實驗部分,每個部分需要一名學(xué)生完成;另外本,實驗的控制算法不定由學(xué),生自己在可行的算法中進(jìn)行選擇,這樣既考查了學(xué)生的實驗?zāi)芰?又有助于提高他們的團(tuán)隊合作精神。在實驗過程中,學(xué)生并不直接在實物機(jī)器人上進(jìn)行算法設(shè)計、編程和調(diào)試而是首先使用機(jī)gneer歷軌跡稱為可行遍歷

10、軌跡叢,由下式表示:L=l(x,y,)(2y1x,=!,n)其中xs,ys,xg,yG分別為機(jī)器人起點和終點坐標(biāo)值,來完成給定機(jī)器人的路徑規(guī)劃任務(wù)旨在讓學(xué)生掌握所以全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃問題就等價于在可行遍歷軌人自帶的M模擬器快速開發(fā)和檢驗所完成的實驗內(nèi)容。當(dāng)實驗內(nèi)容在m上驗m證無誤后,再將其加載到實物機(jī)器人中,在真實環(huán)境里進(jìn)行對機(jī)器人的控制。2.1基于模型的路徑規(guī)劃(智械科技)移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是給定機(jī)器人的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標(biāo)在起始點和目標(biāo)點之間規(guī)劃出一條與障礙物無碰撞的最優(yōu)路徑。地圖由機(jī)器人和障礙物的模型組成,有地圖時的路徑規(guī)劃稱為基于模型的路徑規(guī)劃6。本實驗給出了機(jī)器人運動環(huán)

11、境的地圖,要求學(xué)生用最短路徑到達(dá)目的地的切線圖方法2.2全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃法是在滿足某種性能評價指標(biāo)最優(yōu)的前提下尋找一條在設(shè)定區(qū)域內(nèi)從始點到終點且經(jīng)過所有可達(dá)點的路徑規(guī)劃。設(shè)為某閉合曲線所包圍的點,即機(jī)器人運動的整個范圍。如果將平面移動機(jī)器人看作質(zhì)點,遍歷就是該質(zhì)點能夠連續(xù)移動且經(jīng)過可達(dá)區(qū)域中所有點的一條連續(xù)路徑,稱該路徑為可行遍歷軌跡。可行遍歷軌跡不止一條,所有可行遍跡叢中尋找最優(yōu)路徑的問題。首先讓機(jī)器人沿房間墻邊走過一遍,記錄房間及障礙物特征,并將房間劃分為大致與機(jī)器人等大的柵格每個柵格用一個累計值CV表示自方位存在障礙物的可能性。然后對整個房間進(jìn)行梳狀往復(fù)式遍歷,如圖所

12、4示。圖4梳狀遍歷示意圖遍歷的整體趨勢是沿著區(qū)域主軸方向從左至右,從下至上。在遍歷過程中要盡量沿軸搜、索，以避免遺漏區(qū)域。此外還要考慮單元是否相鄰和單元是否已覆蓋等信息。在搜索規(guī)則的不斷引導(dǎo)下完成全區(qū)域覆蓋,最后采用圖搜索策略來完成整個搜索過程。全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃算法流程圖如圖5所示。N遍肪結(jié)束環(huán)境中是否右Qi逍歷區(qū)d（開始）調(diào)用模板覆盅當(dāng)肅子單元d找卜遍歷子單元調(diào)川模板迫歷起始r-Y/tj找起始點全局路徑規(guī)劃局部路冷視劃圖5全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃算法流程圖圖6為學(xué)生在進(jìn)行機(jī)器人全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃實驗的實際操作圖。圖中的紙箱和木塊用于模擬障礙物,機(jī)器人在圍布的范圍內(nèi)進(jìn)行全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃。圖7為某

13、學(xué)生的實驗結(jié)果。該結(jié)果基本實現(xiàn)了全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃但障礙物周圍有一部分區(qū)域沒有實現(xiàn)覆蓋整體覆蓋率為覆蓋93冗.2余%度圖6全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃實驗圖圖7某學(xué)生的實驗結(jié)果圖示2.3多機(jī)器人隊形控制（智械科技）隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展單個機(jī)器人的魯棒性、可靠性、效率等都有了很大的提升;但面對一些復(fù)雜的、需要高效、并行完成的任務(wù)時,單個機(jī)器人則難以勝任7。為了解決這類問題一方面可以進(jìn)一步開發(fā)智能更高的機(jī)器人另一方面可以在現(xiàn)有機(jī)器多的機(jī)基礎(chǔ)器上人通進(jìn)行過組多個織機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)工作來完多復(fù)多機(jī)雜機(jī)器的器任人人務(wù)進(jìn)隊行。形組多控機(jī)織制器8實人。驗系則統(tǒng)是研基究于的上問述題問就題是而如設(shè)何計的。該實驗所用的機(jī)器

14、人為美國的AB移動機(jī)器人小A巧靈活適合于教學(xué)演示以及作為團(tuán)隊機(jī)器人進(jìn)行研究。本實驗的主要目的就是讓學(xué)生在Lix系統(tǒng)下研究機(jī)器人的隊形控制。由于本實驗涉及到機(jī)器人的定位、相互之間的通信,以及隊形控制問題,實驗任務(wù)比較重,所以需要多個學(xué)生配合才能完成。經(jīng)過問題分解,實驗任務(wù)被分成項5內(nèi)容:為9.8%,可繼續(xù)對算法進(jìn)行改進(jìn)以改善覆蓋效果。限所以需要通過外部手段來協(xié)助定位。我們采用（1）機(jī)器人定位。由于機(jī)器人的傳感器非常有彩色攝像機(jī)進(jìn)行定位,通過機(jī)器人頂部的色彩標(biāo)記來識別各機(jī)器人以,獲取位置和方向信息。由于廣角鏡頭會導(dǎo)致嚴(yán)重畸變需,要對采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得,到各機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的位置及方向信

15、息。S)clet通信。實驗中的機(jī)器人之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了使機(jī)器人能夠及時獲得位置信息采,用廣播形式在局域網(wǎng)內(nèi)不間斷地發(fā)送各機(jī)器人的位置信息。機(jī)器人在需要時讀取自身數(shù)據(jù)。當(dāng)需要其他機(jī)器人的信息時,則通過無線網(wǎng)絡(luò)詢問該機(jī)器人。(智械科技)機(jī)器人編隊。在機(jī)器人組內(nèi)指定某個機(jī)器人為領(lǐng)導(dǎo)其,余各臺以它為基準(zhǔn)進(jìn)行隊形設(shè)計包括,隊形的形成和隊形控制兩部分。目前實驗中使用3種基本隊形直線、(縱隊和三角形olmn)(triangle)。在行進(jìn)中由操作者發(fā)出指令采用哪種隊形。目標(biāo)位置解算。當(dāng)機(jī)器人確定了自身位置并明確目的地后需,要將目的地在世界坐標(biāo)系中的位置轉(zhuǎn)換為機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置,由此來決定機(jī)器

16、人將要進(jìn)行的動作。動作設(shè)計與實現(xiàn)。設(shè)計機(jī)器人的轉(zhuǎn)向、行走等動作,以便通過這些動作到達(dá)目的地。轉(zhuǎn)彎動作可以通過機(jī)器人兩輪轉(zhuǎn)速差來實現(xiàn),行走則可以直接命令機(jī)器人向指定目標(biāo)前進(jìn)。這5項任務(wù)分別由5個學(xué)生完成。圖8為2臺機(jī)器人保持直線隊形運動的實驗圖。圖8雙機(jī)器人編隊實驗圖圖9為2臺機(jī)器人在進(jìn)行平行運動時的實驗結(jié)果圖。隨著學(xué)生對基本問題的掌握可,以適當(dāng)加大實驗難度,如增加機(jī)器人的數(shù)量以及增加隊形的復(fù)雜度等。本實驗的協(xié)作模式使學(xué)生能夠完成個人無法完成圖9雙機(jī)器人的平行運動實驗結(jié)果圖或者需要很長時間才能完成的任務(wù)。因為每個學(xué)生的編程水平、動手能力和解決問題的思路是不盡相同的,因而團(tuán)隊協(xié)作提供了一個互相學(xué)習(xí)

17、的機(jī)會。這可以讓學(xué)生認(rèn)識團(tuán)隊合作的重要性,逐漸培養(yǎng)起工作、研究所必需的團(tuán)隊合作精神。3教學(xué)效果經(jīng)過4多的實驗教學(xué)智能機(jī)器人實驗課程的內(nèi)容也在不斷地豐富和完善。大部分學(xué)生都能夠按照要求完成實驗,部分能力較強的學(xué)生還對課程給出的控制算法進(jìn)行了改進(jìn),達(dá)到了更好的控制效果。很多學(xué)生在上完這門實驗課后,找到了自己的興趣所在,并將機(jī)器人控制作為自己碩士、博士階段的研究方向。通過開展智能機(jī)器人實驗,推動了人工智能、智能控制的教學(xué),是一種直接將學(xué)習(xí)與研究相結(jié)合的教學(xué)模式。同時,能夠讓自動化專業(yè)的學(xué)生接觸到機(jī)器人領(lǐng)域的科技前沿,掌握一些先進(jìn)的控制算法開,闊學(xué)生的眼界,培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神,為他們將來的深造打下堅實的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)(RfS中國科學(xué)技術(shù)學(xué)會控制科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展報告M.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社,802.吳獻(xiàn)鋼.智能機(jī)器人創(chuàng)新實驗的實踐與改革J.實驗科學(xué)與技術(shù)，2008,6(5)：101302.劉延飛，李琪，畢經(jīng)存，等.一種全自主移動機(jī)器人實驗平臺的設(shè)計與研究J.實驗技術(shù)與管理，2009,26(2):6770.Pioneer3ATO