演示文稿機(jī)器人避障策略研究

機(jī)器人避障策略研究ppt課件當(dāng)前第1頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)Contents4緒論

1235Amigo移動(dòng)機(jī)器人介紹

常用避障算法簡(jiǎn)介

基于柵格法的避障策略研究

仿真驗(yàn)證

6總結(jié)與展望

當(dāng)前第2頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)一、緒論課題來(lái)源自主避障的能力是移動(dòng)機(jī)器人智能化程度的重要指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)在未知環(huán)境中自主完成預(yù)設(shè)任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜多變環(huán)境中穩(wěn)定、安全、高效完成任務(wù)的重要保障

移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前第3頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)一、緒論目前機(jī)器人避障還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)時(shí)和全自主的要求，在未知復(fù)雜環(huán)境下很多還只能實(shí)現(xiàn)半自主。隨著視覺(jué)采集設(shè)備質(zhì)量和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的不斷提高，移動(dòng)機(jī)器人的障礙物識(shí)別與避障能力將會(huì)大大提高?；谝陨现匾灾笇?dǎo)教師自擬此課題

移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前第4頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)一、緒論介紹Amigo機(jī)器人的硬件配置、軟件系統(tǒng)以及客戶端操作平臺(tái)和人機(jī)通訊方式

介紹移動(dòng)機(jī)器人避障的常用算法并比較各自的優(yōu)缺點(diǎn)

以柵格搜索法的避障算法為重點(diǎn)，分析Amigo機(jī)器人的避障實(shí)現(xiàn)過(guò)程首先其次再次課題研究主要內(nèi)容最后借助仿真軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證算法的可行性，并總結(jié)不足和可以改進(jìn)的地方當(dāng)前第5頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)二、Amigo移動(dòng)機(jī)器人介紹硬件系統(tǒng)1.底盤(pán)采用三輪結(jié)構(gòu)：一個(gè)萬(wàn)向輪，僅起支撐作用，不起導(dǎo)向作用；兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪則位于車(chē)體兩側(cè)，采用PWM控制

2.內(nèi)嵌SH2微控制器，負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)處理和命令執(zhí)行，如獲取傳感器信息，小車(chē)位置信息等等

3.配備有8個(gè)聲吶測(cè)距裝置，負(fù)責(zé)采集周?chē)h(huán)境信息，將數(shù)據(jù)傳給微處理器處理4.其上安裝有無(wú)線接收與發(fā)送模塊，通過(guò)此模塊可以與電腦實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊

當(dāng)前第6頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)二、Amigo移動(dòng)機(jī)器人介紹軟件系統(tǒng)1.ARIA

：這是為MobileRobots開(kāi)發(fā)的，面向?qū)ο蟮?，用于機(jī)器人控制的應(yīng)用程序接口系統(tǒng)，其他程序都是以ARIA為基礎(chǔ)的

2.ARNL

：這是用于MobileRobots機(jī)器人平臺(tái)定位及自主導(dǎo)航的軟件開(kāi)發(fā)包

3.MobileSim

：這是移動(dòng)機(jī)器人的仿真軟件，包含機(jī)器人以及周?chē)h(huán)境模型，可以加載地圖，獲取傳感器數(shù)據(jù)信息

4.Mapper3：是地圖繪制軟件，他可以把激光測(cè)距儀獲得的信息自動(dòng)生成地圖，也可以讓用戶自己手動(dòng)繪制地圖，手動(dòng)繪制的地圖也可以直接加載在MobileSim中

當(dāng)前第7頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)二、Amigo移動(dòng)機(jī)器人介紹人機(jī)通訊

Amigo機(jī)器人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接方式主要有三種：一是通過(guò)串行口建立連接，該方法連接簡(jiǎn)單，只需要一條串口連接線，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，但受到串口線的限制，計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人控制不方便；二是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立連接，機(jī)器人和計(jì)算機(jī)之間需要借助無(wú)線路由器建立連接，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，該方法應(yīng)用較多；三是車(chē)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)器人配備嵌入式計(jì)算機(jī)主板，該主板具有常規(guī)的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器接口，具有0/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡，具有4個(gè)COM口，2個(gè)USB口，在PC104/PC104+擴(kuò)展總線。車(chē)載計(jì)算機(jī)通過(guò)COM1口與控制器連接，直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

這里，我們用第二種連接方式。當(dāng)前第8頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)三、常用避障算法簡(jiǎn)介1.基于幾何構(gòu)造的避障算法

2.基于柵格劃分的避障算法

3.基于邏輯推理的避障算法

4.基于模糊控制的避障算法

5.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的避障算法

6.基于人工勢(shì)場(chǎng)的避障算法

當(dāng)前第9頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)三、常用避障算法簡(jiǎn)介1.基于幾何構(gòu)造的避障算法我們可以連接起始點(diǎn)和障礙物的頂點(diǎn)，再連接障礙物的頂點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，障礙物的不同頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)了不同的路徑，從這些有限的路徑中選出的最短路徑就是我們要求的最優(yōu)路徑。這種算法比較簡(jiǎn)單，但功能單一，不能在動(dòng)態(tài)未知地圖條件下實(shí)現(xiàn)避障。

當(dāng)前第10頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)三、常用避障算法簡(jiǎn)介2.基于柵格劃分的避障算法建立一個(gè)環(huán)境坐標(biāo)系來(lái)描述機(jī)器人的環(huán)境，在這個(gè)坐標(biāo)系中，二維笛卡爾柵格不斷被機(jī)器人傳感器采樣環(huán)境所更新，環(huán)境坐標(biāo)是絕對(duì)地表示環(huán)境，并在一定的實(shí)時(shí)區(qū)域、一定時(shí)間內(nèi)保持坐標(biāo)原點(diǎn)的固定，但在局部區(qū)域內(nèi)完成了移動(dòng)后，再基于目前行駛點(diǎn)和下個(gè)目標(biāo)點(diǎn)重新建立機(jī)器人的環(huán)境地圖。當(dāng)前第11頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)三、常用避障算法簡(jiǎn)介3.基于邏輯推理的避障算法算法步驟如下：1）定義一個(gè)狀態(tài)集，該集合反映機(jī)器人通過(guò)傳感器測(cè)得的當(dāng)前狀態(tài)。2）定義一個(gè)行為集，該集合反映機(jī)器人當(dāng)前可以采取的動(dòng)作。3）確定從狀態(tài)到行為的映射關(guān)系。當(dāng)前第12頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)三、常用避障算法簡(jiǎn)介4.基于模糊控制的避障算法在基于邏輯推理的路徑規(guī)劃方法基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)：1）傳感器的一次測(cè)量值與多個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)，每個(gè)狀態(tài)有一個(gè)隸屬度對(duì)應(yīng)。2）根據(jù)模糊推理結(jié)果確定行為。引入隸屬度的概念可以明顯的減少傳感器測(cè)得的狀態(tài)個(gè)數(shù)。模糊控制就相當(dāng)于是在邏輯推理的基礎(chǔ)之上，改進(jìn)了縮小狀態(tài)集的方法，從而讓移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中的自主性更加明確。

當(dāng)前第13頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)三、常用避障算法簡(jiǎn)介5.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的避障算法1）先將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題。2）用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示懲罰函數(shù)。3）推導(dǎo)出相應(yīng)的反向傳播算法用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。將避障或者說(shuō)是路徑規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問(wèn)題，地圖上的障礙物即為問(wèn)題的約束條件，再用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入懲罰函數(shù)，這樣就將有約束條件的最優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題。

當(dāng)前第14頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)三、常用避障算法簡(jiǎn)介6.基于人工勢(shì)場(chǎng)的避障算法障礙物對(duì)機(jī)器人施加排斥力，目標(biāo)點(diǎn)對(duì)機(jī)器人施加吸引力，排斥力和吸引力的合力形成勢(shì)場(chǎng)，機(jī)器人移動(dòng)就像球從山上滾下來(lái)一樣，移動(dòng)機(jī)器人在合力作用下向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)。應(yīng)用勢(shì)場(chǎng)法規(guī)劃出來(lái)的路徑一般是比較平滑并且安全。

當(dāng)前第15頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)四、基于柵格法的避障策略研究概率的計(jì)算算法流程第四章主要有以下幾個(gè)部分的內(nèi)容用柵格法劃分地圖當(dāng)前第16頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)四、基于柵格法的避障策略研究用柵格法劃分地圖在進(jìn)行避障和路徑規(guī)劃時(shí)，采用柵格為基本單位表示環(huán)境信息。按照機(jī)器人及其有限的活動(dòng)場(chǎng)地大小進(jìn)行柵格的定義和場(chǎng)地的柵格劃分。圖中具有黑色方塊的柵格表示有障礙物

當(dāng)前第17頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)四、基于柵格法的避障策略研究概率的計(jì)算下一步可以有八個(gè)方位進(jìn)行搜索，即：東、南、西、北、東北、西北、東南、西南

在不同的方向上加上關(guān)聯(lián)程度a：黑色區(qū)域的方向，a=0白色區(qū)域的方向，a=1根據(jù)具體地圖環(huán)境，給不同的方向附上權(quán)值某個(gè)方向的概率：這個(gè)方向的權(quán)值比上所有方向權(quán)值的和當(dāng)前第18頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)四、基于柵格法的避障策略研究算法流程將搜索過(guò)程分為m組，每一組會(huì)得到n條可行路徑。m代表從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的柵格總數(shù)，每走一步，m就加一；n為每組中所有的可行路徑，這些可行路徑都是從當(dāng)前起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑每條可行路徑，都是通過(guò)一步步計(jì)算每個(gè)可行方向的概率而得到的當(dāng)前第19頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)四、基于柵格法的避障策略研究選擇經(jīng)過(guò)柵格個(gè)數(shù)最少的一條為最優(yōu)避障路徑，并走到下一個(gè)柵格。m=0+1

首先計(jì)算各個(gè)方向的概率，確定由起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的所有可避障路徑。m=0到達(dá)下一個(gè)柵格后，重新將目前已到達(dá)的柵格作為新的一個(gè)起始點(diǎn)，計(jì)算出新的起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑

每走一步都更新地圖信息，這會(huì)讓移動(dòng)機(jī)器人最終所走的路徑更趨于最優(yōu)避障路徑

當(dāng)前第20頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)五、仿真驗(yàn)證圖中，紅色小點(diǎn)代表移動(dòng)機(jī)器人Amigo，淺黃色的矩形塊代表障礙物。起始點(diǎn)為圖左下角標(biāo)有“start”的點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)為圖靠上部的地方，標(biāo)有“Goal”的點(diǎn)。程序執(zhí)行前，機(jī)器人停在起始點(diǎn)當(dāng)前第21頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)五、仿真驗(yàn)證執(zhí)行程序讓機(jī)器人開(kāi)始移動(dòng)，柵格搜索法已為移動(dòng)機(jī)器人計(jì)算出一條實(shí)現(xiàn)避開(kāi)障礙物的最優(yōu)路徑

當(dāng)前第22頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\4點(diǎn)五、仿真驗(yàn)證讓移動(dòng)機(jī)器人繼續(xù)移動(dòng)，每走一步最優(yōu)路徑會(huì)更新，避障效果更好。當(dāng)然由于地圖簡(jiǎn)單，路徑改變不明顯。從仿真結(jié)果可以看出，柵格搜索算法成功地完成了機(jī)器人避障所要求的任務(wù)。當(dāng)前第23頁(yè)