基于路径规划的智能机器人控制实验

1、实验技术与管理ExperimentalTechnologyandManagementISSN1002-4956CN11-2034/T第2卷NO期年月基于路径规划的智能机器人控制实验张佳,陈杰,窦丽华(北京理工大学自动化学院,北京10)18摘要：针对自动化专业学生，以Pioneer3AT系列的机器人为对象，搭建了基于路径规划的智能机器人实验教学平台。在此平台上设,计并开发了分别适用于本科生及硕士研究生的系列实验,包括基于模型的路径规划、全区域覆盖路径规划以及多机器人队形控制等项3实验内容。该实验能够让学生接触到先进的智能机器人增，强学生对自动化专业的学习兴趣提高，了学生的动手能力和创新能力。关键

2、词智：能机器人路径;规划全区域;覆盖队形控制;中图分类号:TP24233文献标志码文章编号：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自动化技术是一门涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术。

5、实验教学是自动化专业教学过程中非常重要的一1环。随着目前机器人技术的不断发展，机器人控制实验已逐步进入各个高校。机器人教学对于培养和提高学生的创新精神和动手能力具有极其重要的作用。2在自动化专业开设机器人控制实验课程，不仅可以让学生接触到国际先进的机器人，开阔他们的眼界，还可以让学生学习先进的控制方法，并将这些方法运用于机器人的实际控制上，扩展他们的思维，提高学生的创新能力和动手能力3，为将来在控制领域的继续发展奠定坚实的基础。为此，本校在北京市重点实验室项目中购买了数台机器人，针对自动化专业的教学内容及要求，开设了机器人控制实验，取得了良好的教学效果。收稿日期:20091221修改日期:20

6、100315基金项目:北京市教育委员会共建重点实验室资助项目(CSYS100070417)作者简介:张佳(1980)，女，北京市人，硕士，实验师，研究方向为机器1实验平台的搭(智械科技)本课程选用的机器人是美国先锋O系列机器人。4该系列机器人是目前世界上最成熟的轮式移动机器人研究平台之一。通常科研人员对此系列机器人的开发与研究都在控制台程序上运行，但需要对VMa机器人技术应用接口a有较Ari深的了解，因此需要花费大量时间阅读繁多的程序代码，熟悉研究环境。由于实验学时有限，为了能让学生在最短的时间内最大程度地掌握机器人的有关知识，首先搭建了一个简单实用的实验平台。该平台的建立能使学生在最短时间内

7、熟悉各种底层动作在，实验课程中掌握基础理论和系统深入的专门知识。整个平台系统包括个5功能模块用户:操作管理模块、通信模块、控制模块、数据分析处理模块和显示管理模块。各模块所组成的功能结构如图1所示，它们之间通过数据信号和控制信号联系在一起，构成一个统一的整体。5在控制模块中为学，生的实验操作人控制、智能控制和图像处理1994-2011ChinaAcademicJournalElectronic 张佳,等:基于路径规划的智能机器人控制实验 添加到控制模块中,通过本平台进行验证。智能搜索算法如算法和算法等并将其应用于图1教学平台的功能结构图点到目标节点的最佳最短路径。*2所机器人白的路径规划。机器

8、人运动的切线图如图其中为机器人的2起点为终点块阴影覆盖,2切区域为障碍物。图中的各节点表示切点连接点的路径以及障碍物的切线表示为弧。将弧上两端点间的欧几里德距离作(为费用)由此可以选择从起始节图2机器人运动的切线图2实验项目为了保持课程的多样性,激发学生的学习热情让学生掌握更多的知识点智能机器人实验课针对不同阶段的学生提出了多项实验内容。目前包括基:于模型的路径规划、全区域覆盖路径规划和多机器人队形控制等项3实验内容。其中基于模型的路径规划和全学生应用A*算法求出从起始点S到目标点G的最佳(最短路径P。进而使点机器人沿着路径P进行点到点控制(PTP)和继续路径控制把移动机器人引导到目的地。图3

9、是某学生所完成的实验结果。对于个2障碍物、4条可选路径的情况他,选择了一条从起点到终点最短的路径。通过本实验学,生可以掌握基本的智能搜索算法,为今后进行更为复杂的智能搜索奠定了基础。区域覆盖路径规划项2实验是针对本科生提出的,因为实验内容相对简单,并且所使用的控制算法是确定的。多机器人队形控制实验是针对硕士研究生提出的,本实验包括多个实验部分,每个部分需要一名学生完成;另外本,实验的控制算法不定由学,生自己在可行的算法中进行选择,这样既考查了学生的实验能力,又有助于提高他们的团队合作精神。在实验过程中,学生并不直接在实物机器人上进行算法设计、编程和调试而是首先使用机gneer历轨迹称为可行遍历

10、轨迹丛,由下式表示:L=l(x,y,)(2y1x,=!,n)其中xs,ys,xg,yG分别为机器人起点和终点坐标值,来完成给定机器人的路径规划任务旨在让学生掌握所以全区域覆盖路径规划问题就等价于在可行遍历轨人自带的M模拟器快速开发和检验所完成的实验内容。当实验内容在m上验m证无误后,再将其加载到实物机器人中,在真实环境里进行对机器人的控制。2.1基于模型的路径规划(智械科技)移动机器人的路径规划就是给定机器人的工作环境信息,按照某种优化指标在起始点和目标点之间规划出一条与障碍物无碰撞的最优路径。地图由机器人和障碍物的模型组成,有地图时的路径规划称为基于模型的路径规划6。本实验给出了机器人运动环

11、境的地图,要求学生用最短路径到达目的地的切线图方法2.2全区域覆盖路径规划全区域覆盖路径规划法是在满足某种性能评价指标最优的前提下寻找一条在设定区域内从始点到终点且经过所有可达点的路径规划。设为某闭合曲线所包围的点,即机器人运动的整个范围。如果将平面移动机器人看作质点,遍历就是该质点能够连续移动且经过可达区域中所有点的一条连续路径,称该路径为可行遍历轨迹。可行遍历轨迹不止一条,所有可行遍迹丛中寻找最优路径的问题。首先让机器人沿房间墙边走过一遍,记录房间及障碍物特征,并将房间划分为大致与机器人等大的栅格每个栅格用一个累计值CV表示自方位存在障碍物的可能性。然后对整个房间进行梳状往复式遍历,如图所

12、4示。图4梳状遍历示意图遍历的整体趋势是沿着区域主轴方向从左至右,从下至上。在遍历过程中要尽量沿轴搜、索，以避免遗漏区域。此外还要考虑单元是否相邻和单元是否已覆盖等信息。在搜索规则的不断引导下完成全区域覆盖,最后采用图搜索策略来完成整个搜索过程。全区域覆盖路径规划算法流程图如图5所示。N遍肪结束环境中是否右Qi逍历区d（开始）调用模板覆盅当肃子单元d找卜遍历子单元调川模板迫历起始r-Y/tj找起始点全局路径規划局部路冷视划图5全区域覆盖路径规划算法流程图图6为学生在进行机器人全区域覆盖路径规划实验的实际操作图。图中的纸箱和木块用于模拟障碍物,机器人在围布的范围内进行全区域覆盖路径规划。图7为某

13、学生的实验结果。该结果基本实现了全区域覆盖路径规划但障碍物周围有一部分区域没有实现覆盖整体覆盖率为覆盖93冗.2余%度图6全区域覆盖路径规划实验图图7某学生的实验结果图示2.3多机器人队形控制（智械科技）随着机器人技术的发展单个机器人的鲁棒性、可靠性、效率等都有了很大的提升;但面对一些复杂的、需要高效、并行完成的任务时,单个机器人则难以胜任7。为了解决这类问题一方面可以进一步开发智能更高的机器人另一方面可以在现有机器多的机基础器上人通进行过组多个织机器人之间的协调工作来完多复多机杂机器的器任人人务进队行。形组多控机织制器8实人。验系则统是研基究于的上问述题问就题是而如设何计的。该实验所用的机器

14、人为美国的AB移动机器人小A巧灵活适合于教学演示以及作为团队机器人进行研究。本实验的主要目的就是让学生在Lix系统下研究机器人的队形控制。由于本实验涉及到机器人的定位、相互之间的通信,以及队形控制问题,实验任务比较重,所以需要多个学生配合才能完成。经过问题分解,实验任务被分成项5内容:为9.8%,可继续对算法进行改进以改善覆盖效果。限所以需要通过外部手段来协助定位。我们采用（1）机器人定位。由于机器人的传感器非常有彩色摄像机进行定位,通过机器人顶部的色彩标记来识别各机器人以,获取位置和方向信息。由于广角镜头会导致严重畸变需,要对采集到的图像数据进行处理得,到各机器人在世界坐标系下的位置及方向信

15、息。S)clet通信。实验中的机器人之间通过无线网络进行数据传输。为了使机器人能够及时获得位置信息采,用广播形式在局域网内不间断地发送各机器人的位置信息。机器人在需要时读取自身数据。当需要其他机器人的信息时,则通过无线网络询问该机器人。(智械科技)机器人编队。在机器人组内指定某个机器人为领导其,余各台以它为基准进行队形设计包括,队形的形成和队形控制两部分。目前实验中使用3种基本队形直线、(纵队和三角形olmn)(triangle)。在行进中由操作者发出指令采用哪种队形。目标位置解算。当机器人确定了自身位置并明确目的地后需,要将目的地在世界坐标系中的位置转换为机器人坐标系下的位置,由此来决定机器

16、人将要进行的动作。动作设计与实现。设计机器人的转向、行走等动作,以便通过这些动作到达目的地。转弯动作可以通过机器人两轮转速差来实现,行走则可以直接命令机器人向指定目标前进。这5项任务分别由5个学生完成。图8为2台机器人保持直线队形运动的实验图。图8双机器人编队实验图图9为2台机器人在进行平行运动时的实验结果图。随着学生对基本问题的掌握可,以适当加大实验难度,如增加机器人的数量以及增加队形的复杂度等。本实验的协作模式使学生能够完成个人无法完成图9双机器人的平行运动实验结果图或者需要很长时间才能完成的任务。因为每个学生的编程水平、动手能力和解决问题的思路是不尽相同的,因而团队协作提供了一个互相学习

17、的机会。这可以让学生认识团队合作的重要性,逐渐培养起工作、研究所必需的团队合作精神。3教学效果经过4多的实验教学智能机器人实验课程的内容也在不断地丰富和完善。大部分学生都能够按照要求完成实验,部分能力较强的学生还对课程给出的控制算法进行了改进,达到了更好的控制效果。很多学生在上完这门实验课后,找到了自己的兴趣所在,并将机器人控制作为自己硕士、博士阶段的研究方向。通过开展智能机器人实验,推动了人工智能、智能控制的教学,是一种直接将学习与研究相结合的教学模式。同时,能够让自动化专业的学生接触到机器人领域的科技前沿,掌握一些先进的控制算法开,阔学生的眼界,培养学生的团队合作精神,为他们将来的深造打下坚实的基础。参考文献(RfS中国科学技术学会控制科学与工程学科发展报告M.北京：中国科学技术出版社,802.吴献钢.智能机器人创新实验的实践与改革J.实验科学与技术，2008,6(5)：101302.刘延飞，李琪，毕经存，等.一种全自主移动机器人实验平台的设计与研究J.实验技术与管理，2009,26(2):6770.Pioneer3ATO