方健飛， 張 威， 葛琳琳

(遼寧石油化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

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基于避障切換控制的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃

方健飛， 張 威， 葛琳琳

(遼寧石油化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

移動(dòng)機(jī)器人能夠感知周圍的環(huán)境，并能夠?qū)崟r(shí)的規(guī)劃路徑到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，其中避礙問(wèn)題是研究的熱點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一種在沒(méi)有詳細(xì)的環(huán)境信息的情況下，移動(dòng)機(jī)器人避障過(guò)程中路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)換的控制方案，該方案機(jī)器人可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)跟蹤模式、避障模式及機(jī)器人狀態(tài)選擇逐漸逼近目標(biāo)點(diǎn)，在盡可能出現(xiàn)的任何形狀障礙物情況下用Matlab軟件仿真實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的自適應(yīng)路徑規(guī)劃控制方案的有效性。

切換控制； 運(yùn)動(dòng)跟蹤模式； 避障模式； 路徑規(guī)劃； Matlab仿真

近年來(lái)，自主汽車式機(jī)器人的設(shè)計(jì)因其潛在的應(yīng)用價(jià)值在汽車工業(yè)和機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，機(jī)器人的自主性取決于它探索未知環(huán)境的能力，涉及如停車、導(dǎo)航、軌跡跟蹤、屏障/路徑檢測(cè)及目標(biāo)跟蹤等許多不同的研究領(lǐng)域[1-2]。目前，移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)提供避免碰撞、減少交通阻塞、代替人類執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)等技術(shù)來(lái)提高人們的生活質(zhì)量[3-4]，以避障為目標(biāo)的路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的關(guān)鍵問(wèn)題之一，也是本文的主要研究方向。

通常，路徑規(guī)劃分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃兩大類：一方面，在全局路徑規(guī)劃中，可以獲得機(jī)器人工作空間的先驗(yàn)知識(shí)，文獻(xiàn)[5]通過(guò)最短路徑準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了最優(yōu)路徑，應(yīng)用一些優(yōu)化方法來(lái)解決最優(yōu)路徑的問(wèn)題；另一方面，局部路徑規(guī)劃方法采用超聲波傳感器、激光測(cè)距儀及車載視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)獲得環(huán)境信息，進(jìn)而在線進(jìn)行路徑規(guī)劃[6]。本文假設(shè)移動(dòng)人的導(dǎo)航空間是未知的，并且只有固定的障礙物，并在沒(méi)有詳細(xì)的環(huán)境信息前提下，設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人避障的路徑規(guī)劃控制轉(zhuǎn)換方案。

1 系統(tǒng)描述

非完整約束移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)描述如圖1[2]所示。非完整約束移動(dòng)機(jī)器人是由安裝在同一軸上的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)向輪組成的小車，機(jī)械轉(zhuǎn)向輪起到被動(dòng)自調(diào)節(jié)的支撐作用，其運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向分別由兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立控制。假設(shè)移動(dòng)機(jī)器人由剛性不易變形的輪子組成，則只能在同一平面上移動(dòng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的距離為2b，兩個(gè)輪子的半徑相同，均為r，P點(diǎn)為機(jī)器人運(yùn)行的直線方向和機(jī)器人中心點(diǎn)C連線與驅(qū)動(dòng)輪軸的交點(diǎn)。機(jī)器人的移動(dòng)由P點(diǎn)的位置來(lái)表示，機(jī)器人在全局坐標(biāo)系{O,U,V}的位置可以由(u,v,θ)來(lái)表示，其中u和v為P點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。由圖1可知，變量θ表示由安裝在機(jī)器人平臺(tái)上的測(cè)量出在局部坐標(biāo)系{P,X,Y}中與水平軸的夾角?？紤]到移動(dòng)機(jī)器人在滾動(dòng)、非平移條件下運(yùn)行，所以移動(dòng)機(jī)器人只能是沿著驅(qū)動(dòng)輪的軸線方向運(yùn)行，因此這個(gè)假設(shè)確定了一個(gè)非完整約束的機(jī)器人以下面的形式運(yùn)動(dòng)：

(1)

在全局坐標(biāo)系中，移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型表示為：

(2)

式中， vl和vr分別為左輪和右輪的線速度，它們的值小于最大速度vmax[7-12]。本文所研究的控制問(wèn)題是為找到一個(gè)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人安全到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)而產(chǎn)

生的一個(gè)參考路徑軌跡的合適路徑規(guī)劃。

圖1 非完整約束移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)描述

2 轉(zhuǎn)換路徑規(guī)劃控制

為了在不同的環(huán)境下，對(duì)非完整約束移動(dòng)機(jī)器人的安全運(yùn)行進(jìn)行有效的處理，提出了機(jī)器人根據(jù)狀態(tài)來(lái)控制轉(zhuǎn)換路徑的規(guī)劃模式，包括運(yùn)動(dòng)跟蹤模式、避障模式、自旋轉(zhuǎn)模式。轉(zhuǎn)換路徑規(guī)劃控制的主流程如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)換路徑規(guī)劃控制的主流程

(a) 運(yùn)動(dòng)跟蹤模式運(yùn)行圖

(b) 運(yùn)動(dòng)跟蹤模式流程圖3 運(yùn)動(dòng)跟蹤模式

(a) 避障模式運(yùn)行圖

(b) 避障模式流程圖4 避障模式

由圖4可知，機(jī)器人的位置控制是通過(guò)所提出的轉(zhuǎn)換路徑規(guī)劃控制方案來(lái)完成，由適當(dāng)?shù)淖筝喓陀逸喌木€速度跟蹤產(chǎn)生的參考軌跡來(lái)操控機(jī)器人，它可以是比例-積分(PI)控制器、模糊邏輯控制器或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。本文使用傳統(tǒng)的比例-積分控制方案。

為了區(qū)分機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)行情況，目標(biāo)位置和機(jī)器人之間的距離dro定義為：

(3)

距離dro的變化存在兩種情況：一種情況，在與過(guò)去的距離比較之后，當(dāng)前的距離為最小，意味著機(jī)器人正在接近目標(biāo)位置；另一種情況，在與過(guò)去的距離比較之后，當(dāng)前的距離不是最小，則意味著機(jī)器人由于避障模式的操作，正在遠(yuǎn)離目標(biāo)點(diǎn)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文使用差分驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)驗(yàn)證所提控制方案的有效性，該移動(dòng)機(jī)器人的詳細(xì)參數(shù)為：r=0.092 5m，b=0.167m，vmax=0.4m/s，θs1=-90°，θs2=-50°，θs3=-30°，θs4=-10°，θs5=10°，θs6=30°，θs7=50°，θs8=90°。

此外，在轉(zhuǎn)換路徑規(guī)劃控制中的控制參數(shù)為：dn=0.04m，l=0.1m，Δt=0.1s，vc=0.04m/s。其中，dn為機(jī)器人移動(dòng)步長(zhǎng);l為避障半徑;Δt為采樣時(shí)間;vc為機(jī)器人中心點(diǎn)的線速度。以上各個(gè)參數(shù)是在考慮數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠獲得最佳瞬態(tài)控制性能的工作條件下選擇的。

所有的數(shù)值仿真通過(guò)Matlab軟件計(jì)算。在仿真過(guò)程中，選擇4種形狀類型的障礙物來(lái)測(cè)試所提出的控制方案的適應(yīng)性。在不同障礙物下所有轉(zhuǎn)換路徑規(guī)劃控制方案的數(shù)值仿真如圖5所示。

(a) 正方形障礙物

(b) U形障礙物

(c) 混亂迷宮障礙物

(d) 不同形狀障礙物圖5 不同障礙物下所有轉(zhuǎn)換路徑規(guī)劃控制方案的數(shù)值仿真

由圖5(a)可知，在4個(gè)方形障礙物和3個(gè)初始位置(u=1.5,v=1.0)，(u=3.0,v=1.0)和(u=4.0,v=2.8)及目標(biāo)位置 (uo=3.0,vo=5.5)時(shí)移動(dòng)機(jī)器人的響應(yīng)情況，移動(dòng)機(jī)器人可以在不同的初始位置成功地繞過(guò)障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

由圖5(b)可知，在U形障礙物和2個(gè)初始位置(u=3.0,v=1.0)和(u=2.5,v=2.5)及目標(biāo)位置在(uo=3.0,vo=5.5)時(shí)移動(dòng)機(jī)器人的響應(yīng)情況；在第1個(gè)初始位置(u=3.0,v=1.0)時(shí)，最初機(jī)器人處于運(yùn)動(dòng)跟蹤模式直接向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)，直到到達(dá)“a”點(diǎn)機(jī)器人檢測(cè)到正前方的障礙物，然后，根據(jù)避障模式進(jìn)行右轉(zhuǎn)到達(dá)“b”點(diǎn)，當(dāng)機(jī)器人處于“b”點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人的狀態(tài)為rs=1，和以前的距離進(jìn)行比較后，當(dāng)前的距離dro為最小，所以，機(jī)器人轉(zhuǎn)入運(yùn)動(dòng)跟蹤模式向目標(biāo)移動(dòng)；在第2個(gè)初始位置(u=2.5,v=2.5)時(shí)，機(jī)器人在避障模式下向“c”點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)“c”點(diǎn)后，機(jī)器人的狀態(tài)為rs=1，和以前的距離進(jìn)行比較后，當(dāng)前的距離dro為最小，所以，機(jī)器人轉(zhuǎn)入運(yùn)動(dòng)跟蹤模式向目標(biāo)移動(dòng)。

由圖5(c)可知，在混亂迷宮中，目標(biāo)位置在(uo=5.0,vo=5.0)時(shí)移動(dòng)機(jī)器人的響應(yīng)情況；機(jī)器人由初始位置(u=0.5,v=1.5)開(kāi)始在避障模式下移動(dòng)到“a”點(diǎn)，在“a”點(diǎn)，機(jī)器人的狀態(tài)為rs=0，并且和以前的距離進(jìn)行比較后，當(dāng)前的距離dro為最小，所以，根據(jù)避障模式，機(jī)器人進(jìn)行右轉(zhuǎn)，直到機(jī)器人到達(dá)“b”點(diǎn)，因?yàn)椤癰”點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的距離比“a”點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的距離小，并且，此時(shí)機(jī)器人的狀態(tài)為rs=1，機(jī)器人則在運(yùn)動(dòng)跟蹤模式下向“c”點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人通過(guò)“c”點(diǎn)后，機(jī)器人的狀態(tài)為rs=0，和以前的距離進(jìn)行比較后，當(dāng)前的距離dro為最小，則轉(zhuǎn)換到避障模式到達(dá)“d”點(diǎn)，此時(shí)，在機(jī)器人的周圍沒(méi)有障礙物，并且從“d”點(diǎn)到“e”點(diǎn)的直線距離最小，所以機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)跟蹤模式下直接向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)到“e”點(diǎn)，當(dāng)機(jī)器人通過(guò)“e”點(diǎn)時(shí)檢測(cè)到前方的障礙物，便轉(zhuǎn)換到避障模式下向“f”點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)“f”點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人的狀態(tài)為rs=1，和以前的距離進(jìn)行比較后，當(dāng)前點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的距離dro最小，所以機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)跟蹤模式下直接向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)。

由圖5(d)可知，在不同形狀的障礙物中，目標(biāo)位置在(uo=5.0,vo=5.0)時(shí)移動(dòng)機(jī)器人的響應(yīng)情況，從最初的狀態(tài)開(kāi)始，機(jī)器人可以成功地通過(guò)不同形狀的障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

4 結(jié) 論

研究了移動(dòng)機(jī)器人避障的轉(zhuǎn)換路徑規(guī)劃的控制方案，該方案在不需要詳細(xì)的環(huán)境信息情況下，通過(guò)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)及周圍環(huán)境，自主決定在運(yùn)動(dòng)跟蹤模式和避障模式之間進(jìn)行切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換路徑規(guī)劃控制方案的有效性。

移動(dòng)機(jī)器人在長(zhǎng)時(shí)間的避障轉(zhuǎn)換路徑規(guī)劃過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)模型誤差及超聲波測(cè)量誤差的積累，使路徑規(guī)劃的誤差增加。為了減小移動(dòng)機(jī)器人在長(zhǎng)時(shí)間避障轉(zhuǎn)換路徑規(guī)劃的誤差，提高其實(shí)用性，在控制算法中增加機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)模型誤差及超聲波測(cè)量誤差的積累補(bǔ)償與校正是未來(lái)的工作的重點(diǎn)。然而，當(dāng)前算法可以在實(shí)驗(yàn)室中精確用于移動(dòng)機(jī)器人在任何未知的復(fù)雜環(huán)境下的避障轉(zhuǎn)換。

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(編輯 陳 雷)

Path Planning of Mobile Robot Based on Obstacle Avoidance Switching Control

Fang Jianfei， Zhang Wei， Ge Linlin

(SchoolofComputerandCommunicationEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001，China)

The mobile robot can sense the surrounding environment，and can plan the path to reach the target point in real time， among which the obstacle avoidance problem is the focus of the research. A control scheme for path planning transformation of mobile robot in obstacle avoidance without detailed environmental information is designed.In this scheme，the robot can according to the motion tracking mode，obstacle avoidance model and robot state gradually approaching the target，using the Matlab simulation experiment in any shape obstacles as far as possible. The obstacle experiment verifies the effectiveness of the adaptive path planning control scheme is proposed.

Switch control; Motion tracking mode; Obstacle avoidance mode; Path planning; Matlab simulation

1672-6952(2017)04-0065-05

2016-11-28

2016-12-24

撫順市科學(xué)技術(shù)發(fā)展資金計(jì)劃項(xiàng)目(FSKJHT201548)；2014年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項(xiàng)目(201410148060、201510148068)。

方健飛(1995-)，男，本科生，機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化專業(yè)，從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化研究；E-mail：1697253920@qq.com。

張威(1972-)，男，博士，副教授，從事嵌入式應(yīng)用技術(shù)和信息安全研究；E-mail：zhangwei2002@126.com。

TP24

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.04.015

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