基于路徑規(guī)劃的智能機器人控制實驗

1、實驗技術與管理ExperimentalTechnologyandManagementISSN1002-4956CN11-2034/T第2卷NO期年月基于路徑規(guī)劃的智能機器人控制實驗張佳,陳杰,竇麗華(北京理工大學自動化學院,北京10)18摘要：針對自動化專業(yè)學生，以Pioneer3AT系列的機器人為對象，搭建了基于路徑規(guī)劃的智能機器人實驗教學平臺。在此平臺上設,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)劃以及多機器人隊形控制等項3實驗內容。該實驗能夠讓學生接觸到先進的智能機器人增，強學生對自動化專業(yè)的學習興趣提高，了學生的動手能力和創(chuàng)新能力。關鍵

2、詞智：能機器人路徑;規(guī)劃全區(qū)域;覆蓋隊形控制;中圖分類號:TP24233文獻標志碼文章編號：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自動化技術是一門涉及學科較多、應用廣泛的綜合性科學技術。

5、實驗教學是自動化專業(yè)教學過程中非常重要的一1環(huán)。隨著目前機器人技術的不斷發(fā)展，機器人控制實驗已逐步進入各個高校。機器人教學對于培養(yǎng)和提高學生的創(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)開設機器人控制實驗課程，不僅可以讓學生接觸到國際先進的機器人，開闊他們的眼界，還可以讓學生學習先進的控制方法，并將這些方法運用于機器人的實際控制上，擴展他們的思維，提高學生的創(chuàng)新能力和動手能力3，為將來在控制領域的繼續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎。為此，本校在北京市重點實驗室項目中購買了數臺機器人，針對自動化專業(yè)的教學內容及要求，開設了機器人控制實驗，取得了良好的教學效果。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，研究方向為機器1實驗平臺的搭(智械科技)本課程選用的機器人是美國先鋒O系列機器人。4該系列機器人是目前世界上最成熟的輪式移動機器人研究平臺之一。通?？蒲腥藛T對此系列機器人的開發(fā)與研究都在控制臺程序上運行，但需要對VMa機器人技術應用接口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。由于實驗學時有限，為了能讓學生在最短的時間內最大程度地掌握機器人的有關知識，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生在最短時間內

7、熟悉各種底層動作在，實驗課程中掌握基礎理論和系統(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、數據分析處理模塊和顯示管理模塊。各模塊所組成的功能結構如圖1所示，它們之間通過數據信號和控制信號聯系在一起，構成一個統(tǒng)一的整體。5在控制模塊中為學，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)劃的智能機器人控制實驗 添加到控制模塊中,通過本平臺進行驗證。智能搜索算法如算法和算法等并將其應用于圖1教學平臺的功能結構圖點到目標節(jié)點的最佳最短路徑。*2所機器人白的路徑規(guī)劃。機器

8、人運動的切線圖如圖其中為機器人的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)學生的學習熱情讓學生掌握更多的知識點智能機器人實驗課針對不同階段的學生提出了多項實驗內容。目前包括基:于模型的路徑規(guī)劃、全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃和多機器人隊形控制等項3實驗內容。其中基于模型的路徑規(guī)劃和全學生應用A*算法求出從起始點S到目標點G的最佳(最短路徑P。進而使點機器人沿著路徑P進行點到點控制(PTP)和繼續(xù)路徑控制把移動機器人引導到目的地。圖3

9、是某學生所完成的實驗結果。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,生可以掌握基本的智能搜索算法,為今后進行更為復雜的智能搜索奠定了基礎。區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃項2實驗是針對本科生提出的,因為實驗內容相對簡單,并且所使用的控制算法是確定的。多機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生完成;另外本,實驗的控制算法不定由學,生自己在可行的算法中進行選擇,這樣既考查了學生的實驗能力,又有助于提高他們的團隊合作精神。在實驗過程中,學生并不直接在實物機器人上進行算法設計、編程和調試而是首先使用機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分別為機器人起點和終點坐標值,來完成給定機器人的路徑規(guī)劃任務旨在讓學生掌握所以全區(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容。當實驗內容在m上驗m證無誤后,再將其加載到實物機器人中,在真實環(huán)境里進行對機器人的控制。2.1基于模型的路徑規(guī)劃(智械科技)移動機器人的路徑規(guī)劃就是給定機器人的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標在起始點和目標點之間規(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。本實驗給出了機器人運動環(huán)

11、境的地圖,要求學生用最短路徑到達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最優(yōu)的前提下尋找一條在設定區(qū)域內從始點到終點且經過所有可達點的路徑規(guī)劃。設為某閉合曲線所包圍的點,即機器人運動的整個范圍。如果將平面移動機器人看作質點,遍歷就是該質點能夠連續(xù)移動且經過可達區(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。然后對整個房間進行梳狀往復式遍歷,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遍肪結束環(huán)境中是否右Qi逍歷區(qū)d（開始）調用模板覆盅當肅子單元d找卜遍歷子單元調川模板迫歷起始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為學生在進行機器人全區(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,機器人在圍布的范圍內進行全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃。圖7為某

13、學生的實驗結果。該結果基本實現了全區(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某學生的實驗結果圖示2.3多機器人隊形控制（智械科技）隨著機器人技術的發(fā)展單個機器人的魯棒性、可靠性、效率等都有了很大的提升;但面對一些復雜的、需要高效、并行完成的任務時,單個機器人則難以勝任7。為了解決這類問題一方面可以進一步開發(fā)智能更高的機器人另一方面可以在現有機器多的機基礎器上人通進行過組多個織機器人之間的協(xié)調工作來完多復多機雜機器的器任人人務進隊行。形組多控機織制器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何計的。該實驗所用的機器

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

15、息。S)clet通信。實驗中的機器人之間通過無線網絡進行數據傳輸。為了使機器人能夠及時獲得位置信息采,用廣播形式在局域網內不間斷地發(fā)送各機器人的位置信息。機器人在需要時讀取自身數據。當需要其他機器人的信息時,則通過無線網絡詢問該機器人。(智械科技)機器人編隊。在機器人組內指定某個機器人為領導其,余各臺以它為基準進行隊形設計包括,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)。在行進中由操作者發(fā)出指令采用哪種隊形。目標位置解算。當機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系中的位置轉換為機器人坐標系下的位置,由此來決定機器

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

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