江西省減災(zāi)備災(zāi)中心 王 茜

機器人行走過程中需要對障礙物進行躲避。躲避的方法和策略依靠障礙物的大小、形狀、位置分布及距離參數(shù)的分析與計算。此過程是動態(tài)地、隨機地，需要實時的分析與判別，基于目標方向的導向線周邊環(huán)境的探測，移動機器人能夠在所設(shè)定的避障算法的控制下，正確的選擇方向，繞過障礙，步進到終點。在MATLAB/GUI軟件平臺上對該避障算法進行仿真實驗，結(jié)果證明了該方法的有效性。

科學技術(shù)不斷地發(fā)展和進步，伴隨著應(yīng)用領(lǐng)域的深入和深化，研究人員大多會采用一個實驗平臺來驗證設(shè)想、思路、算法等等，由此仿真的大量出現(xiàn)，同時仿真也進一步推動了科學技術(shù)的進步。本文采用MATLAB/GUI編程工具對移動機器人的行走路徑進行規(guī)劃、計算、分析，并仿真，為移動機器人這一人工智能領(lǐng)域的主要工具進行仿真實驗，驗證規(guī)避障礙、優(yōu)化路徑的規(guī)劃設(shè)計方法，對實際行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的行走機器人技術(shù)的發(fā)展有著積極的推動意義。而如今社會的物流、礦產(chǎn)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生的生產(chǎn)和應(yīng)急救援等方面的機器人代替人的應(yīng)用是越來越多，提高了生產(chǎn)、救援效率，減少生產(chǎn)成本，降低救援危險系數(shù)，由此得出本文的路徑規(guī)劃的仿真研究。

1 避障算法設(shè)計

機器人的行走或移動，首先是有一個目標方向，而且行走過程中是不停的判斷和調(diào)整方向的選擇，現(xiàn)實當中的機器人，在其移動的路徑上通常會有各種情況，如有各種隨機形狀或隨機性質(zhì)的障礙物分布在其前進的路上，包括障礙物占領(lǐng)其前進引導線、障礙物在前進引導線左側(cè)、障礙物在前進引導線右側(cè)等三種情況，有時機器人在移動的過程中還要完成某種特殊的作業(yè)，因此機器人在行走時要檢測障礙的分布，避免觸碰，實時調(diào)整方向與路線，最終完成預(yù)先設(shè)計好的任務(wù)。

1.1 障礙物占領(lǐng)引導線

首先建立坐標系，以引機器人目標路線的導線方向為坐標Y軸，其前進方向為正方向，以障礙物中心且與Y軸垂直的直線為坐標X軸，其中障礙物中心點即為坐標原點。對機器人大小進行假設(shè)，寬和長改為2b和2a。設(shè)機器人初始位于A點，障礙物大小為長2d，寬2e，設(shè)機器人與障礙物最近距離為L，為防止觸碰，距離L為機器人表面到障礙物表面的最近距離。行進的機器人借助于探測器或傳感器進行檢測周圍的障礙物，當發(fā)現(xiàn)行進正前方有障礙物時，此時的機器人就應(yīng)該考慮怎么躲避障礙，簡單方法就是通過轉(zhuǎn)彎，即左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。這里為了簡化令機器人優(yōu)先選擇左轉(zhuǎn)。接著，假設(shè)機器人在避開障礙物后位于B點位置，此時機器人因避障而左轉(zhuǎn)，調(diào)整了行進方向，原有的行進路線上的障礙變成了機器人右側(cè)的障礙，即障礙位于現(xiàn)機器人行進路線的右側(cè)，設(shè)距離為M。機器人繼續(xù)行進，在成功避障后需試圖回歸原引導線向終點出發(fā)。具體情況如圖1所示。

圖1 障礙物占領(lǐng)了引導線

障礙物超過引導線左邊的最大距離為C，機器人安全通過B點，機器人最右端與障礙物最左端的距離為M。從A點運行到B點需要偏轉(zhuǎn)角度θ1：

從A點運行到B點需要經(jīng)過的路徑為W1：

機器人從A點運行到B點需要的行駛時間T1：

機器人從B運行到C需要偏轉(zhuǎn)的角度為β1：

從B點運行到C點需要經(jīng)過的路徑為R1：

1.2 障礙物在左

障礙物位于機器人前進引導線的左側(cè)，因障礙物和機器人的外觀、大小、體積等因素，機器人正常行使依然有可能觸碰障礙物，因此需要設(shè)計機器人的避障策略，障礙物在左側(cè)，因此機器人需要向右調(diào)整方向進行行進，行進后拉大與障礙物之間的距離，在保證不會觸碰之后，機器人需要回到原定的終點進行行進，即左轉(zhuǎn)回到原方向，具體位置關(guān)系與行進示意如圖2所示。

圖2 障礙物在機器人前進引導線左邊

障礙物右端與引導線的距離N，機器人從A運行到B需要偏轉(zhuǎn)的角度為θ3。據(jù)三角函數(shù)得：

機器人從A點到B點需要經(jīng)過的路徑為W3：

機器人從B點運行到C點需要偏轉(zhuǎn)的角度為β3。根據(jù)三角函數(shù)，可得：

機器人從B運行到C需要經(jīng)過的路徑為R3：

1.3 障礙物在右

障礙物在機器人行進方向引導線的右邊，處理方法與第2種情況類似，此處不再贅述。

由此對機器人行進的過程進行了詳細分析，在實際應(yīng)用中，因路線的精確度或平滑度的要求，可依照這種方法將障礙物與機器人二者的位置關(guān)系進一步的細分，分成5種情況、7種情況或更多。

2 經(jīng)驗系統(tǒng)及路徑規(guī)劃控制器

2.1 經(jīng)驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

經(jīng)驗系統(tǒng)是基于現(xiàn)實世界實際的規(guī)則與實際效果的分析，歸納和推理出的一套理論，也稱專家系統(tǒng)，這是人工智能的主要基礎(chǔ)信息，并將此賦予計算機程序，解決專門的實際問題。經(jīng)驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由知識庫、推理機、知識獲取、領(lǐng)域?qū)＜?、推理咨詢和專家系統(tǒng)用戶等幾個模塊構(gòu)成，其中知識庫又包含規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫；推理機包括解釋程序和調(diào)度程序。

圖3 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 路徑規(guī)劃器設(shè)計

機器人行走路徑規(guī)劃控制器的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括行為權(quán)重控制器、趨向目標行為控制器、避障行為控制器、沿障礙物邊緣運動行為控制器等4個部分。其中由移動機器人運動的線速度(vO，vG，V A)和轉(zhuǎn)動速度(ωO，ωG，ωA)和趨向目標行為權(quán)重GW、避障行為權(quán)重OW、沿障礙物邊緣運動行為權(quán)重AW等輸入輸出變量進行加權(quán)融合，得行為融合公式：

圖4 路徑規(guī)劃控制器邏輯結(jié)構(gòu)

式中，V為融合后輸出的移動機器人的線速度，W為融合后輸出的移動機器人的轉(zhuǎn)動速度。

3 仿真流程設(shè)計

機器人開始位于起點，準備朝終點出發(fā)，借助探測器或傳感器，檢測周圍的障礙情況，判斷前進步長內(nèi)是否有障礙物，有則按前述方式分析障礙物方位、距離等信息，進行避障，無則沿導向線前進固定的步長，前進完成判斷是否到達終點，未到達終點則繼續(xù)探測、分析、避障等，繼續(xù)行走，直至到達終點。算法流程如圖5所示。

圖5 行走控制算法

仿真主程序包括機器人的運行軌跡和避障過程。行進軌跡算法流程如圖6所示；主程序的算法流程如圖7所示。

圖6 機器人行進軌跡算法流程

圖7 主函數(shù)流程

4 MATLAB/GUI仿真設(shè)計

MATLAB是高級計算軟件，它提供了大量的高性能的數(shù)值計算函數(shù)和程序，極大地方便了研究人員的仿真分析，在科學計算、信息處理、控制理論等多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。MATLAB提供極為方面的GUI應(yīng)用接口，GUI圖形用戶界面由窗口、菜單欄、工具欄和左側(cè)的快捷按鈕組成，每一部分都有特定的功能，可以根據(jù)不同的需求選擇按鈕并排版。

4.1 機器人路徑規(guī)劃模擬仿真界面

仿真實驗采用GUI界面進行仿真信息交互。界面設(shè)計4個方面信息：（1）工作區(qū)域；（2）起始點和目標點的位置；（3）障礙物數(shù)量及形狀；（4）規(guī)劃的避障路徑。界面設(shè)計如圖8所示。

圖8 移動機器人路徑規(guī)劃界面

4.2 實驗步驟

設(shè)計好GUI界面后，將輸入輸入信息代入程序，程序依據(jù)前述算法進行編寫，進行基于模糊控制的移動機器人路徑規(guī)劃仿真實驗，步驟如下：

（1）設(shè)置一個二維空間為機器人的工作環(huán)境，模擬一個封閉的房間地面情形。

（2）設(shè)定機器人運動的起始和目標位置坐標、地面上的障礙物個數(shù)及其形狀。

（3）機器人依據(jù)編寫好的模糊控制算法程序進行避障行進。

（4）不斷檢測是否已到達終點，是則中止，否則轉(zhuǎn)入第3步繼續(xù)行進。

4.3 實驗分析

仿真過程中設(shè)置起點坐標和終點坐標分別為[0，0]和[500，500]，模擬封閉房間環(huán)境中的障礙物數(shù)量為10個、30個和50個，形狀分別為正方體、圓柱體或兩種隨機混合的三種情況進行仿真實驗，仿真結(jié)果如圖9、圖10、圖11所示，分別顯示出了理想航線、運動軌跡以及路徑步數(shù)等信息。

圖9 正方形障礙物數(shù)量10的仿真實驗結(jié)果

圖10 圓形障礙物數(shù)量30的仿真實驗結(jié)果

圖11 隨機障礙物數(shù)量50的仿真實驗結(jié)果

圖中，在理想路線上，明顯的分布著各種形狀、大小不一的障礙物，其中圖9和圖10中在沿著理想路線前進時，遇到不同形狀的障礙物移動機器人能夠在路徑規(guī)劃控制算法的程序控制下，正確繞過障礙物并繼續(xù)行進，直至終點；圖11中不僅能夠繞過不同形狀的障礙物，在障礙物連續(xù)分布的情況下，該算法依然能夠繞過多個障礙，在偏離理想路線上仍然能夠找出一條通往目的地的合理路線。

文中對當下非常流行的機器人行走的路徑進行規(guī)劃設(shè)計，提出遇到障礙物的躲避和繞行控制思路。進一步地設(shè)計經(jīng)驗系統(tǒng)和路徑規(guī)劃控制器，編排避障控制算法和行走軌跡控制算法。最后借助于MATLAB/GUI仿真軟件編寫移動機器人行走避障的仿真程序，并設(shè)置不同的障礙類型和障礙數(shù)量，進行仿真實驗。實驗結(jié)果表明移動機器人能夠在各種障礙的隨機分布的環(huán)境下找出行進的規(guī)劃路線，行走至目的地，驗證了避障算法的有效性。