1、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)張佳,陳杰,竇麗華(北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,北京10)18摘要：針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生，以Pioneer3AT系列的機(jī)器人為對(duì)象，搭建了基于路徑規(guī)劃的智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。在此平臺(tái)上設(shè),計(jì)并開(kāi)發(fā)了分別適用于本科生及碩士研究生的系列實(shí)驗(yàn),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(duì)形控制等項(xiàng)3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生接觸到先進(jìn)的智能機(jī)器人增，強(qiáng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣提高，了學(xué)生的動(dòng)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(duì)形控制;中圖分類(lèi)號(hào):TP24233文獻(xiàn)標(biāo)志碼文章編號(hào)：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(dòng)化技術(shù)是一門(mén)涉及學(xué)科較多、應(yīng)用廣泛的綜合性科學(xué)技術(shù)。

5、實(shí)驗(yàn)教學(xué)是自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)過(guò)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(shí)驗(yàn)已逐步進(jìn)入各個(gè)高校。機(jī)器人教學(xué)對(duì)于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和動(dòng)手能力具有極其重要的作用。2在自動(dòng)化專業(yè)開(kāi)設(shè)機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)課程，不僅可以讓學(xué)生接觸到國(guó)際先進(jìn)的機(jī)器人，開(kāi)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(yùn)用于機(jī)器人的實(shí)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(dòng)手能力3，為將來(lái)在控制領(lǐng)域的繼續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為此，本校在北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目中購(gòu)買(mǎi)了數(shù)臺(tái)機(jī)器人，針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容及要求，開(kāi)設(shè)了機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)，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(xiàng)目:北京市教育委員會(huì)共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(CSYS100070417)作者簡(jiǎn)介:張佳(1980)，女，北京市人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)器1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭(智械科技)本課程選用的機(jī)器人是美國(guó)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(dòng)機(jī)器人研究平臺(tái)之一。通常科研人員對(duì)此系列機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與研究都在控制臺(tái)程序上運(yùn)行，但需要對(duì)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(fèi)大量時(shí)間閱讀繁多的程序代碼，熟悉研究環(huán)境。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，為了能讓學(xué)生在最短的時(shí)間內(nèi)最大程度地掌握機(jī)器人的有關(guān)知識(shí)，首先搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)的建立能使學(xué)生在最短時(shí)間內(nèi)

7、熟悉各種底層動(dòng)作在，實(shí)驗(yàn)課程中掌握基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)深入的專門(mén)知識(shí)。整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)包括個(gè)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(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)聯(lián)系在一起，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體。5在控制模塊中為學(xué)，生的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn) 添加到控制模塊中,通過(guò)本平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)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(tái)的功能結(jié)構(gòu)圖點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)的切線圖如圖其中為機(jī)器人的2起點(diǎn)為終點(diǎn)塊陰影覆蓋,2切區(qū)域?yàn)檎系K物。圖中的各節(jié)點(diǎn)表示切點(diǎn)連接點(diǎn)的路徑以及障礙物的切線表示為弧。將弧上兩端點(diǎn)間的歐幾里德距離作(為費(fèi)用)由此可以選擇從起始節(jié)圖2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的切線圖2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)點(diǎn)智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課針對(duì)不同階段的學(xué)生提出了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(duì)形控制等項(xiàng)3實(shí)驗(yàn)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(diǎn)S到目標(biāo)點(diǎn)G的最佳(最短路徑P。進(jìn)而使點(diǎn)機(jī)器人沿著路徑P進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)控制(PTP)和繼續(xù)路徑控制把移動(dòng)機(jī)器人引導(dǎo)到目的地。圖3

9、是某學(xué)生所完成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于個(gè)2障礙物、4條可選路徑的情況他,選擇了一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)最短的路徑。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)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(xiàng)2實(shí)驗(yàn)是針對(duì)本科生提出的,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單,并且所使用的控制算法是確定的。多機(jī)器人隊(duì)形控制實(shí)驗(yàn)是針對(duì)碩士研究生提出的,本實(shí)驗(yàn)包括多個(gè)實(shí)驗(yàn)部分,每個(gè)部分需要一名學(xué)生完成;另外本,實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)芰?又有助于提高他們的團(tuán)隊(duì)合作精神。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生并不直接在實(shí)物機(jī)器人上進(jìn)行算法設(shè)計(jì)、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(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值,來(lái)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(wèn)題就等價(jià)于在可行遍歷軌人自帶的M模擬器快速開(kāi)發(fā)和檢驗(yàn)所完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。當(dāng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在m上驗(yàn)m證無(wú)誤后,再將其加載到實(shí)物機(jī)器人中,在真實(shí)環(huán)境里進(jìn)行對(duì)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(dòng)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(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間規(guī)劃出一條與障礙物無(wú)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(shí)的路徑規(guī)劃稱為基于模型的路徑規(guī)劃6。本實(shí)驗(yàn)給出了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(píng)價(jià)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(diǎn)到終點(diǎn)且經(jīng)過(guò)所有可達(dá)點(diǎn)的路徑規(guī)劃。設(shè)為某閉合曲線所包圍的點(diǎn),即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的整個(gè)范圍。如果將平面移動(dòng)機(jī)器人看作質(zhì)點(diǎn),遍歷就是該質(zhì)點(diǎn)能夠連續(xù)移動(dòng)且經(jīng)過(guò)可達(dá)區(qū)域中所有點(diǎn)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(wèn)題。首先讓機(jī)器人沿房間墻邊走過(guò)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(gè)柵格用一個(gè)累計(jì)值CV表示自方位存在障礙物的可能性。然后對(duì)整個(gè)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(shì)是沿著區(qū)域主軸方向從左至右,從下至上。在遍歷過(guò)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(lái)完成整個(gè)搜索過(guò)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(kāi)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)的實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。該結(jié)果基本實(shí)現(xiàn)了全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃但障礙物周?chē)幸徊糠謪^(qū)域沒(méi)有實(shí)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(shí)驗(yàn)圖圖7某學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖示2.3多機(jī)器人隊(duì)形控制（智械科技）隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展單個(gè)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(duì)一些復(fù)雜的、需要高效、并行完成的任務(wù)時(shí),單個(gè)機(jī)器人則難以勝任7。為了解決這類(lèi)問(wèn)題一方面可以進(jìn)一步開(kāi)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(guò)組多個(gè)織機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)工作來(lái)完多復(fù)多機(jī)雜機(jī)器的器任人人務(wù)進(jìn)隊(duì)行。形組多控機(jī)織制器8實(shí)人。驗(yàn)系則統(tǒng)是研基究于的上問(wèn)述題問(wèn)就題是而如設(shè)何計(jì)的。該實(shí)驗(yàn)所用的機(jī)器

14、人為美國(guó)的AB移動(dòng)機(jī)器人小A巧靈活適合于教學(xué)演示以及作為團(tuán)隊(duì)機(jī)器人進(jìn)行研究。本實(shí)驗(yàn)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(duì)形控制。由于本實(shí)驗(yàn)涉及到機(jī)器人的定位、相互之間的通信,以及隊(duì)形控制問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)任務(wù)比較重,所以需要多個(gè)學(xué)生配合才能完成。經(jīng)過(guò)問(wèn)題分解,實(shí)驗(yàn)任務(wù)被分成項(xiàng)5內(nèi)容:為9.8%,可繼續(xù)對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)以改善覆蓋效果。限所以需要通過(guò)外部手段來(lái)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(guò)機(jī)器人頂部的色彩標(biāo)記來(lái)識(shí)別各機(jī)器人以,獲取位置和方向信息。由于廣角鏡頭會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重畸變需,要對(duì)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(shí)驗(yàn)中的機(jī)器人之間通過(guò)無(wú)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(shí)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(shí)讀取自身數(shù)據(jù)。當(dāng)需要其他機(jī)器人的信息時(shí),則通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)詢問(wèn)該機(jī)器人。(智械科技)機(jī)器人編隊(duì)。在機(jī)器人組內(nèi)指定某個(gè)機(jī)器人為領(lǐng)導(dǎo)其,余各臺(tái)以它為基準(zhǔn)進(jìn)行隊(duì)形設(shè)計(jì)包括,隊(duì)形的形成和隊(duì)形控制兩部分。目前實(shí)驗(yàn)中使用3種基本隊(duì)形直線、(縱隊(duì)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(duì)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(lái)決定機(jī)器

16、人將要進(jìn)行的動(dòng)作。動(dòng)作設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向、行走等動(dòng)作,以便通過(guò)這些動(dòng)作到達(dá)目的地。轉(zhuǎn)彎動(dòng)作可以通過(guò)機(jī)器人兩輪轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)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(xiàng)任務(wù)分別由5個(gè)學(xué)生完成。圖8為2臺(tái)機(jī)器人保持直線隊(duì)形運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)圖。圖8雙機(jī)器人編隊(duì)實(shí)驗(yàn)圖圖9為2臺(tái)機(jī)器人在進(jìn)行平行運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。隨著學(xué)生對(duì)基本問(wèn)題的掌握可,以適當(dāng)加大實(shí)驗(yàn)難度,如增加機(jī)器人的數(shù)量以及增加隊(duì)形的復(fù)雜度等。本實(shí)驗(yàn)的協(xié)作模式使學(xué)生能夠完成個(gè)人無(wú)法完成圖9雙機(jī)器人的平行運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖或者需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成的任務(wù)。因?yàn)槊總€(gè)學(xué)生的編程水平、動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的思路是不盡相同的,因而團(tuán)隊(duì)協(xié)作提供了一個(gè)互相學(xué)習(xí)

17、的機(jī)會(huì)。這可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)團(tuán)隊(duì)合作的重要性,逐漸培養(yǎng)起工作、研究所必需的團(tuán)隊(duì)合作精神。3教學(xué)效果經(jīng)過(guò)4多的實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),部分能力較強(qiáng)的學(xué)生還對(duì)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(mén)實(shí)驗(yàn)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(guò)開(kāi)展智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn),推動(dòng)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(shí),能夠讓自動(dòng)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(kāi),闊學(xué)生的眼界,培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神,為他們將來(lái)的深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)(RfS中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)控制科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展報(bào)告M.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,802.吳獻(xiàn)鋼.智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐與改革J.實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009,26(2):6770.Pioneer3ATO