關(guān)鍵詞：家庭服務(wù)機(jī)器人；自主導(dǎo)航；勢(shì)場(chǎng)柵格法；滾動(dòng)路徑規(guī)劃；室內(nèi)移動(dòng) 中圖分類號(hào)：TP242．6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Research on Autonomous Navigation and Path Planning of a Home Service Robot CHEN Hao, XIAO Nan-feng, QI De-yu (Computer School, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China) Abstract: The ordinary industry robot seems to be incapable for the home services. The people are expecting a home service robot to complete the home service work. Therefore, we develop the home service robot. This paper presents a new approach for the autonomous navigation of the home service robot with the combination of describing environment based on grids and path planning based on potential field as well as rolling windows. Multi- channel sonar array and infrared ray finders are used to obtain the environment information. Simulation results confirm that the present approach is correct and effective. Key words: Home robot ; Autonomous navigation; Potential grid method; Rolling path planning 1 引言 近年來(lái)，隨著智能機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地?cái)U(kuò)大，智能機(jī)器人已經(jīng)開始進(jìn)入了家庭服務(wù)行業(yè)[1]。由智能型家庭服務(wù)機(jī)器人代替人來(lái)完成各種家務(wù)勞動(dòng)，這不僅是一項(xiàng)極具應(yīng)用前景的高新技術(shù)行業(yè)，而且也已是智能機(jī)器人目前研究的一個(gè)重要熱點(diǎn)。為此，我們開發(fā)了一個(gè)能在室內(nèi)的家庭環(huán)境下自主移動(dòng)和工作的家庭服務(wù)機(jī)器人，它主要有10大功能：(1)防盜監(jiān)測(cè)；(2)安全檢查；(3)家電控制；(4)清潔衛(wèi)生；(5)物品搬運(yùn)；(6)家庭娛樂；(7)病況監(jiān)視；(8)兒童教育；(9)報(bào)時(shí)催醒；(10)電話接聽。并且它可通過互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，見圖1所示。 家庭服務(wù)機(jī)器人作為一種室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，在自主導(dǎo)航過程中，它常常面臨著無(wú)法預(yù)知和不可預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)環(huán)境，而且它感知環(huán)境的傳感器給出的數(shù)據(jù)是固有的、不可避免、不完整、不可靠、不精確的[2]。因此，解決自主導(dǎo)航是一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)。目前，在已知的環(huán)境下，研究移動(dòng)機(jī)器人對(duì)靜態(tài)障礙物的路徑規(guī)劃已經(jīng)取得了豐碩的成果?，F(xiàn)在人們更多地開始注意動(dòng)態(tài)環(huán)境下或不確定環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題。本文主要研究家庭服務(wù)機(jī)器人在家庭居室環(huán)境下自主導(dǎo)航與路徑規(guī)劃問題。 圖1 家庭服務(wù)機(jī)器人 2 家庭服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航 2．1 工作環(huán)境 家庭服務(wù)機(jī)器人最常見的工作環(huán)境是結(jié)構(gòu)化環(huán)境，這些場(chǎng)所的共同特征是比較規(guī)范[1]。在這種環(huán)境中，機(jī)器人和人經(jīng)常要發(fā)生互動(dòng)作用，例如來(lái)來(lái)回回走動(dòng)的人等。然而，家庭服務(wù)機(jī)器人必須使自己行走于各種物體之間，而不出現(xiàn)碰撞。家庭服務(wù)機(jī)器人主要工作于家庭居室環(huán)境中，因此對(duì)障礙物的描述有很好的便利，應(yīng)用柵格法對(duì)家庭服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航地圖進(jìn)行處理也有很好的效率。 2．2 自主導(dǎo)航系統(tǒng) 家庭服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航原理如圖2所示。本項(xiàng)研究中的導(dǎo)航系統(tǒng)配備了1個(gè)CCD攝像機(jī)、15個(gè)超聲波傳感器、14個(gè)紅外線傳感器、2個(gè)光電編碼器用于自主導(dǎo)航。 3 家庭服務(wù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) 3．1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是進(jìn)行路徑規(guī)劃和路徑跟蹤的前提。本項(xiàng)研究所采用的是兩輪差速驅(qū)動(dòng)方式。運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3所示。其中，XOY為世界坐標(biāo)系(地圖坐標(biāo)系)，xoy為它本身的坐標(biāo)系，家庭服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式為： 轉(zhuǎn)速，r表示輪子的半徑。 3．2 航位推算 目前機(jī)器人定位系統(tǒng)主要有相對(duì)定位和絕對(duì)定位系統(tǒng)[3]。本項(xiàng)研究采用相對(duì)定位系統(tǒng)，這種定位的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單和成本較低，適合于家庭服務(wù)機(jī)器人。機(jī)器人通過2個(gè)光電編碼器可以較準(zhǔn)確的知道自身行走的距離和轉(zhuǎn)彎角度。在推算航位時(shí)，根據(jù)左、右光電編碼器的輸出值可以求得家庭服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)第n次采樣時(shí)左輪子位移Dl 結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式(1)，可以得到航位推算算法如下： 4 家庭服務(wù)機(jī)器人路徑規(guī)劃 4．1 勢(shì)場(chǎng)法與柵格法 文獻(xiàn)[4]綜合了勢(shì)場(chǎng)法和柵格法的優(yōu)點(diǎn)，提出了勢(shì)場(chǎng)柵格法。本項(xiàng)研究亦采用勢(shì)場(chǎng)柵格法，并結(jié)合滾動(dòng)路徑規(guī)劃原理對(duì)未知或運(yùn)動(dòng)障礙物進(jìn)行路徑規(guī)劃。用勢(shì)場(chǎng)法進(jìn)行路徑規(guī)劃，要求障礙物最好是規(guī)則的。而用柵格表示地圖，能夠很好地處理障礙物邊界問題，避免復(fù)雜的計(jì)算。但柵格法存在存儲(chǔ)量大和計(jì)算量大等問題，限制了它的使用范圍。所以將柵格法與勢(shì)場(chǎng)法結(jié)合起來(lái)將會(huì)是一種高效的算法。 與文獻(xiàn)[4]不同的是，本項(xiàng)研究不采用啟發(fā)函數(shù)，而是用柵格來(lái)表示地圖。非障礙物所在的柵格置為0，其它柵格置為0。然后利用人工勢(shì)場(chǎng)法計(jì)算機(jī)器人所在柵格中心點(diǎn)的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)值，判斷運(yùn)動(dòng)方向，由此決定移動(dòng)的下一個(gè)柵格，并循環(huán)整個(gè)過程，直到到達(dá)目標(biāo)為止。在柵格地圖中，很容易掃描到最近的障礙物柵格，比普通人工勢(shì)場(chǎng)法障礙物的尋找方便很多。在柵格地圖中，運(yùn)動(dòng)方向共有八個(gè)，如圖4所示。 大小。此算法的特點(diǎn)是：(1)應(yīng)用柵格法計(jì)算地圖中人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)時(shí)，只要計(jì)算當(dāng)前柵格的函數(shù)值，避免了傳統(tǒng)勢(shì)場(chǎng)法的大計(jì)算量問題；(2)采用了修正勢(shì)場(chǎng)函數(shù)，從而避免了局部最優(yōu)點(diǎn)問題。 4．2 勢(shì)場(chǎng)函數(shù)構(gòu)造 人工勢(shì)場(chǎng)可以想像為在運(yùn)動(dòng)過程中，目標(biāo)柵格產(chǎn)生的引力場(chǎng)與障礙物產(chǎn)生的斥力場(chǎng)相疊加后產(chǎn) 4．3 路徑節(jié)點(diǎn)搜索 路徑節(jié)點(diǎn)的探索是在柵格地圖中進(jìn)行搜索相鄰節(jié)點(diǎn)。按照式(6)～(13)計(jì)算出該柵格點(diǎn)所對(duì)應(yīng) 在算法的具體實(shí)現(xiàn)中，柵格需要在三種情況下打上標(biāo)記：①當(dāng)從柵格n進(jìn)入到n+1后，再選的不是n+2，而是回到n。為了防止路徑點(diǎn)的循環(huán)與交叉，要為經(jīng)過的柵格打上一個(gè)標(biāo)記；②從柵格n進(jìn)入到柵格n+1時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)柵格n+1是個(gè)死胡同，或者是已經(jīng)走過的路徑，則要返回到柵格n，并為柵格n+1打上一個(gè)標(biāo)記。③邊緣情況，也就是地圖最外圍的柵格，這些柵格的八個(gè)方向有些方向是不存在的，要給其打上標(biāo)記。在路徑規(guī)劃過程中，如果所找到的柵格是上述打過標(biāo)記的柵格或是障礙物柵格，則要忽略它。按由上面三種標(biāo)記和改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法就可以克服勢(shì)場(chǎng)法存在的4個(gè)主要缺陷：(1)存在陷阱區(qū)域；(2)在相近障礙物間不能發(fā)現(xiàn)路徑；(3)在障礙物前震蕩；(4)在狹窄通道中擺動(dòng)。 4．4 滾動(dòng)路徑規(guī)劃 文獻(xiàn)[6]中借鑒了預(yù)測(cè)控制滾動(dòng)優(yōu)化原理，提出了基于滾動(dòng)窗口的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。滾動(dòng)路徑規(guī)劃就是采用反復(fù)進(jìn)行的局部?jī)?yōu)化規(guī)劃代替一次性的全局優(yōu)化結(jié)果，充分利用傳感系統(tǒng)所能感測(cè)到的局部環(huán)境信息。在本項(xiàng)研究中，以周期的方式在滾動(dòng)的每一步：(1)定義以當(dāng)前位置為中心的一個(gè)圓形區(qū)域?yàn)閮?yōu)化窗口，以全局規(guī)劃的路徑點(diǎn) 為子目標(biāo)，由障礙物探測(cè)系統(tǒng)掃描此優(yōu)化窗口內(nèi)的障礙物，一旦出現(xiàn)原地圖沒有的障礙物，則修改原地圖。這一過程既是對(duì)全局先驗(yàn)障礙物信息的修正，也是對(duì)動(dòng)態(tài)、不確定障礙物信息的認(rèn)定；(2)由前面介紹的人工勢(shì)場(chǎng)法結(jié)合柵格法確定優(yōu)化窗口中的局部路徑，然后前進(jìn)一步，窗口向前滾動(dòng)，產(chǎn)生新的優(yōu)化窗口，繼續(xù)步驟(1)。 5 仿真實(shí)驗(yàn) (a)顯示家庭服務(wù)機(jī)器人正確地避開了各種障礙物，從起始點(diǎn)(start)達(dá)到了目標(biāo)點(diǎn)(goal)。從圖5(b)可知，即使目標(biāo)點(diǎn)(goal)在障礙物附近，家庭服務(wù)機(jī)器人也能成功地到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。圖5(c)和(d)是滾動(dòng)路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖5(c)是用原始地圖規(guī)劃的路徑，家庭服務(wù)機(jī)器人開始不知道障礙物A存在。5(d)中家庭服務(wù)機(jī)器人很好地避開了未知障礙物A。 6 結(jié)論 勢(shì)場(chǎng)法由于算法簡(jiǎn)單、勢(shì)場(chǎng)和勢(shì)場(chǎng)力的計(jì)算簡(jiǎn)便，常用于實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃系統(tǒng)。但勢(shì)場(chǎng)法存在著計(jì)算量大、局部最優(yōu)點(diǎn)。而柵格法存在環(huán)境分辨率與環(huán)境信息存儲(chǔ)量之間的矛盾。本項(xiàng)研究將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，既克服了勢(shì)場(chǎng)法的缺點(diǎn)，又能很好地規(guī)劃出路徑。本文提出的自主導(dǎo)航與路徑規(guī)劃方法即將用于我們開發(fā)的家庭服務(wù)機(jī)器人完成防盜監(jiān)測(cè)、安全檢查、家電控制、家務(wù)勞動(dòng)、病況監(jiān)視、清潔衛(wèi)生等各項(xiàng)作業(yè)。 圖5 自主導(dǎo)航與路徑規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 參考文獻(xiàn) [1] 馬駿騎．服務(wù)機(jī)器人[J]．昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997 - 6，Vol．22，No．3，pp．32～36． [2] 陸新華，張桂林．室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航方法研究[J]．機(jī)器人，2003 - 01，V01．25，No．1，pp．80-87． [3] 李群明，等．室內(nèi)自主移動(dòng)機(jī)器人定位方法研究綜述[J]．機(jī)器人，2003 - 11，Vol．25，No．6． [4] 王醒策．基于勢(shì)場(chǎng)柵<