趙國平

（延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 延安716000）

本款展館解說機器人機械部分主要由驅(qū)動輪、底盤、主控板、激光雷達、陀螺儀、攝像頭及語音系統(tǒng)等多部分組成。在機器人解說過程中一般會有多個三維參考坐標(biāo)系，比如通過激光雷達可以構(gòu)建柵格地圖的全局世界坐標(biāo)系、以機器人底盤作為參考的坐標(biāo)系和以機械人各部分構(gòu)件如攝像頭、傳感器和激光slam等作為參考的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系之間有的是固定的而有的是變化的，比如當(dāng)展館解說機器人在講解過程中，機器人與全局世界坐標(biāo)系的位置關(guān)系就會發(fā)生變化；而安裝在展館解說機器人上的激光slam、攝像頭等與機器人的相對位置就不會發(fā)生變化。因此我們分析清楚了展館解說機器人坐標(biāo)與全局世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系就會分析清楚幾個坐標(biāo)系間的變換關(guān)系。

一、機器人的運動模型

根據(jù)展館解說機器人的總體特征我們抽象出機器人結(jié)構(gòu)如下圖1所示，其中1，2表示機器人兩個動力輪，3表示從動輪，機器人移動位置由主動輪確定。

圖1 機械人簡化模型

（一）機器人平移運動

機器人在t0時刻位姿A1（x1，y1，β1）、A2（x2，y2，β1）、，在時刻位姿B1（x3，y3，β2）、B2（x4，y4，β2），機器人左右輪子的間距d。當(dāng)機器人不轉(zhuǎn)彎的時候，機器人位姿角度β 是不會發(fā)生變化的即β1=β2，機器人的位姿會發(fā)生的變化如下圖2所示：

圖2 機械人平移運動示意圖

根據(jù)投影關(guān)系可得：

（二）機器人轉(zhuǎn)彎運動

假定機器人從A1（x1，y1，β1）、A2（x2，y2，β1）點運動到B1（x3，y3，β2）、B2（x4，y4，β2）點，其運動的示意圖3如下所示，其繞中心點Ο走過的角度為а，A1點與數(shù)值方向所成的角度為β1，A1A'1與B1B'1分別垂直于OA1與OB1。

圖3 機械人轉(zhuǎn)彎運動示意圖

根據(jù)幾何關(guān)系可知：

利用弧長公式可得：

利用投影關(guān)系可得：

二、機器人路徑規(guī)劃一般步驟

路徑規(guī)劃是指展館解說機器人按照某一性能指標(biāo)搜索一條從起始點A1（x1，y1，β1）、A2（x2，y2，β1）到目標(biāo)點B1（x3，y3，β2）、B2（x4，y4，β2）的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰撞安全路徑。在進行路徑規(guī)劃的時候，需要考慮以下幾方面因素：1.確定初始點與目標(biāo)點坐標(biāo)：機器人根據(jù)其攜帶的攝像頭、激光雷達等傳感器采集區(qū)域內(nèi)環(huán)境信息獲得自身的位置。機器人所采集的環(huán)境信息通常被稱為地圖，它是一個存儲位置坐標(biāo)的數(shù)組。確定地圖上的起點與終點位置實際就是選擇數(shù)組中的多個元素；2.環(huán)境中障礙物表示：在進行路徑規(guī)劃時，機器人需要知道從初始點到目標(biāo)點哪些區(qū)域是可以通行的，哪些是不可以通行的，機器人需要按照一定規(guī)劃路徑方法避開不可通行的區(qū)域，到達目的地。在機器人獲得環(huán)境地圖信息數(shù)組后，障礙物在數(shù)組中用1 表示，自由空間用0表示；3.確定系統(tǒng)最優(yōu)路徑搜索算法。

三、A＊（A Star）算法

A*（A Star）是在外界環(huán)境不變的情況下，計算最短路徑的算法。A*（A Star）基于現(xiàn)有信息采用啟發(fā)式搜索利用目前已知的迭代步數(shù)計算最優(yōu)路徑的信息。在搜索過程中利用估價函數(shù)對節(jié)點進行評估，選擇可能性大的節(jié)點，從而提高搜索過程效率，評估函數(shù)表達式為：

算法流程為：

圖4 A?（A Star）算法流程

結(jié)束語

本文對于展館解說機器人結(jié)構(gòu)特征建立了運動模型，分析了機器人在平移運動和轉(zhuǎn)彎運動時位姿變化的運動特征，并在此基礎(chǔ)之上采用A*（A Star）算法對機器人路徑進行規(guī)劃，搜索過程中采用動態(tài)評估的方法提高了系統(tǒng)搜索效率，在展館環(huán)境相對穩(wěn)定的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)最短路徑，可以實現(xiàn)預(yù)期的運動效果。