移動(dòng)機(jī)器人漫游行為的研究

宋穎麗,李彩虹

(山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 淄博 255049)

移動(dòng)機(jī)器人漫游行為是指在沒(méi)有給定目標(biāo)和任務(wù)的情況下,機(jī)器人在環(huán)境中隨意運(yùn)動(dòng),并自主躲避障礙物的行為.這種行為常用于機(jī)器人探索未知環(huán)境和制作地圖.機(jī)器人在完成具有漫游性質(zhì)的任務(wù)時(shí),最重要的是避障.目前常用的避障方法有柵格法[1]、模糊控制法[2]、行為控制法[3]等.其中行為控制法是一種重要的智能控制方法,具有計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、能實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜功能的特點(diǎn),近幾年得到了廣泛應(yīng)用.

本文針對(duì)Pioneer 3移動(dòng)機(jī)器人,采用設(shè)計(jì)緊急行為、避障行為和自由行為的方法,使機(jī)器人在漫游運(yùn)動(dòng)中能夠?qū)崟r(shí)有效地避開障礙物.并利用隨機(jī)動(dòng)作概念解決了傳統(tǒng)算法中容易出現(xiàn)的死鎖問(wèn)題.

1 實(shí)時(shí)環(huán)境信息

研究中所用到的移動(dòng)機(jī)器人是先鋒機(jī)器人Pioneer 3.機(jī)器人的頭部裝有8個(gè)方向的聲納傳感器,傳感器的位置如圖1所示.

圖1 傳感器分布圖形

在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中,將機(jī)器人模型化為點(diǎn)狀機(jī)器人,環(huán)境中的障礙物根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際尺寸及安全性要求進(jìn)行“膨化”處理.機(jī)器人的傳感區(qū)域定義為位于機(jī)器人正前方的一個(gè)半徑為r_sense的半圓,機(jī)器人每前進(jìn)一步,實(shí)時(shí)掃描正前方180°范圍內(nèi)的環(huán)境信息.0號(hào)和7號(hào)傳感器探測(cè)到的障礙物距離信息對(duì)機(jī)器人前進(jìn)影響很小,為減少數(shù)據(jù)量,便于實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù),本文只采用1～6號(hào)傳感器探測(cè)到的距離信息Dobs={d1,d2,d3,d4,d5,d6}.每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相應(yīng)方向上測(cè)得的最近障礙物的距離信息.假設(shè)在這個(gè)方向上所檢測(cè)到的障礙物是obs1,obs2,…,obsn,則:

依據(jù)機(jī)器人與障礙物距離的遠(yuǎn)近程度,將移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)到的半圓形范圍分為3個(gè)區(qū)域[4],從內(nèi)到外依次為危險(xiǎn)區(qū)、避障區(qū)和安全區(qū),如圖2所示,其中“O”點(diǎn)為機(jī)器人當(dāng)前位置.區(qū)域的大小設(shè)計(jì)原則是:

1)危險(xiǎn)區(qū)的大小依據(jù)機(jī)器人的安全性要求設(shè)置.此區(qū)域中,機(jī)器人距離障礙物很近,要保證機(jī)器人的安全,不能與障礙物碰撞.

2)安全區(qū)大小的設(shè)置主要依靠經(jīng)驗(yàn).估計(jì)出哪個(gè)距離范圍內(nèi)的障礙物對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)影響小.

設(shè)置距離閾值d_danger,d_saf e.圖2中,d_danger=OA,d_saf e=OB,r_rense=OC.通過(guò)聲納傳感器探測(cè)的環(huán)境信息及以下條件判斷機(jī)器人所處的區(qū)域:

1)如果對(duì)任何i(i=1,…,6)都有di≤d_dnger,則機(jī)器人處于危險(xiǎn)區(qū).

2)如果?i使d_dnger＜di≤d_safe,則機(jī)器人處于避障區(qū),機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)要考慮避開障礙物.

圖2 探測(cè)區(qū)域劃分

3)如果對(duì)任何i(i=1,…,6)都有di＞d_saf e,障礙物與機(jī)器人的距離較遠(yuǎn),對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)影響很小,障礙物可以不予考慮,此區(qū)域中機(jī)器人可自由移動(dòng).

2 行為設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人在環(huán)境未知的情況下,每前進(jìn)一步要根據(jù)傳感器探測(cè)到的實(shí)時(shí)環(huán)境信息做出不同決策,即選擇相應(yīng)的行為.根據(jù)機(jī)器人與障礙物的距離關(guān)系,將機(jī)器人的漫游行為分為在三個(gè)區(qū)域內(nèi)的不同行為:危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的緊急行為、避障區(qū)內(nèi)的避障行為和安全區(qū)內(nèi)的自由行為.緊急行為在機(jī)器人與障礙物非常接近時(shí)啟動(dòng);避障行為使機(jī)器人避免與障礙物發(fā)生碰撞;自由行為使機(jī)器人在安全區(qū)隨意運(yùn)動(dòng);最后機(jī)器人依據(jù)行為融合規(guī)則,決定每一步要采取的行為.

2.1 危險(xiǎn)區(qū)的緊急行為設(shè)計(jì)

如果機(jī)器人探測(cè)到的6個(gè)方向上的距離信息都滿足di≤d_danger,則機(jī)器人處于危險(xiǎn)區(qū).為避免與障礙物發(fā)生碰撞,機(jī)器人立即停止運(yùn)動(dòng).為逃離障礙物的危險(xiǎn)區(qū),采取以下策略:以當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閰⒖?原地順時(shí)針旋轉(zhuǎn) θ(10°≤θ≤50°)角度,θ為定值,大小自定義.每次旋轉(zhuǎn)后,探測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的環(huán)境信息,一旦檢測(cè)到機(jī)器人脫離障礙物危險(xiǎn)區(qū),則停止旋轉(zhuǎn),并根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境信息采取相應(yīng)的避障行為,一步步走出危險(xiǎn)區(qū).

2.2 避障區(qū)的避障行為設(shè)計(jì)[5]

移動(dòng)機(jī)器人處于避障區(qū)內(nèi),要根據(jù)當(dāng)前探測(cè)到的環(huán)境信息選擇最佳避障動(dòng)作.以機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閰⒖?將機(jī)器人下一步的移動(dòng)方向量化處理,取為 Δ θ=kΔ α,(這里取k=0,±1,±2,±3,±4,±5,Δ α=10°).假設(shè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù).可取的動(dòng)作為11個(gè),a0～a10表示在 Δ θ=kΔ α中,k分別取-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5時(shí)所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作.11個(gè)動(dòng)作的位置分布如圖3所示.

圖3 位置分布圖

在運(yùn)行環(huán)境中,障礙物對(duì)機(jī)器人排斥力的大小反映了機(jī)器人距離障礙物的遠(yuǎn)近程度.根據(jù)機(jī)器人上傳感器的位置,檢測(cè)到6個(gè)方向(1～6號(hào)傳感器)上障礙物的距離信息為Dobs={d1,d2,d3,d4,d5,d6},則其對(duì)應(yīng)方向上的排斥力為

di為相應(yīng)方向上的距離信息.在時(shí)刻n機(jī)器人受到的排斥力之和為

di的冪次m的大小根據(jù)障礙物對(duì)規(guī)劃路徑的影響程度來(lái)選擇,這里取為2.ki為相應(yīng)方向上的距離加權(quán)值,并且滿足 ∑ki=1.

距離加權(quán)值ki的設(shè)置采用固定加權(quán)值和動(dòng)態(tài)加權(quán)值兩種設(shè)置方法.

1)固定加權(quán)值方法

依據(jù)6個(gè)方向上障礙物對(duì)規(guī)劃的影響程度,給出一組固定的數(shù)值K={k1,k2,k3,k4,k5,k6}.在運(yùn)行過(guò)程中k1～k6始終保持不變.這種方法使用簡(jiǎn)單,但當(dāng)環(huán)境信息動(dòng)態(tài)改變時(shí),加權(quán)值不能很好地反應(yīng)障礙物對(duì)規(guī)劃的影響.

2)動(dòng)態(tài)加權(quán)值方法

依據(jù)探測(cè)到的距離信息,實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)方向上距離加權(quán)值的大小.如:當(dāng)探測(cè)到某方向上障礙物與機(jī)器人的距離di＞d_safe時(shí),此方向上障礙物對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響可以不考慮,相應(yīng)的該方向上距離加權(quán)值ki=0,而其它方向上的距離加權(quán)值則相應(yīng)增大.本文采用動(dòng)態(tài)權(quán)值設(shè)置法,設(shè)計(jì)加權(quán)值調(diào)節(jié)器,依據(jù)機(jī)器人與障礙物的距離關(guān)系信息,實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)方向上距離加權(quán)值的大小.

取最小距離閾值d_min和最大距離閾值d_max(d_min,d_max的大小自定義).如果對(duì)于任何i(i=1,…6)都有di≤d_min,相應(yīng)的fi→∞,即F→∞,此時(shí)判為發(fā)生碰撞.而當(dāng)di≥d_max時(shí),則相應(yīng)的fi=0.合力總體較大表明機(jī)器人離障礙物較近,反之則較遠(yuǎn).相鄰時(shí)刻的受力之差為

受力之差的正負(fù)反映了相鄰時(shí)刻機(jī)器人與障礙物的距離變化.如果Δ F(n)＜0,表明機(jī)器人正遠(yuǎn)離障礙物;反之,則表明機(jī)器人靠近障礙物.

機(jī)器人下一步的運(yùn)動(dòng)方向計(jì)算步驟如下:

1)計(jì)算機(jī)器人當(dāng)前的環(huán)境信息

通過(guò)聲納傳感器探測(cè)機(jī)器人當(dāng)前的環(huán)境信息S(n)={Pxy(n),θr(n),Dobs(n)}.其中Pxy(n)是機(jī)器人的位置坐標(biāo),θr(n)為機(jī)器人當(dāng)前的移動(dòng)方向,Dobs(n)={d1(n),d2(n),d3(n),d4(n),d5(n),d6(n)}為探測(cè)到的6個(gè)方向上的障礙物的距離信息.依據(jù)公式(3),計(jì)算出此時(shí)機(jī)器人受到的排斥力之和F(n).

2)機(jī)器人前進(jìn)一步可能受到的排斥力

機(jī)器人下一步可選擇的動(dòng)作為a0～a10,如果機(jī)器人選擇a0動(dòng)作,則執(zhí)行此動(dòng)作后機(jī)器人探測(cè)到的障礙 物距離Dobs0(n+1)={d＇1,d＇2,d＇3,d＇4,d＇5,d＇6},那么機(jī)器人此時(shí)受到的排斥力記為F0(n+1).若機(jī)器人選擇a1動(dòng)作,則受到的排斥力記為F1(n+1).依次類推,機(jī)器人分別選擇動(dòng)作a0～a10后,其對(duì)應(yīng)的排斥力為F0(n+1)～F10(n+1).

3)比較相鄰時(shí)刻機(jī)器人的受力之差,并選擇最優(yōu)動(dòng)作

由步驟2)可得,下一時(shí)刻,機(jī)器人可能受到的排斥為F0(n+1)～F10(n+1).則相鄰時(shí)刻的受力之差用公式表示為

求Δ Fi(n)的最小值:

f為Δ Fi(n)的最小值,j為最小值所對(duì)應(yīng)動(dòng)作的下標(biāo).則機(jī)器人下一步的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?/p>

即機(jī)器人以當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閰⒖?旋轉(zhuǎn)aj所對(duì)應(yīng)的角度.

4)更新機(jī)器人前進(jìn)一步后的環(huán)境信息.

機(jī)器人每前進(jìn)一步,都要重新檢測(cè)機(jī)器人的環(huán)境信息S(n+1)={Pxy(n+1),θr(n+1),Dobsj(n+1),再根據(jù)上述步驟求出機(jī)器人下一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向,實(shí)時(shí)的避開障礙物.

2.3 安全區(qū)的自由行為設(shè)計(jì)

機(jī)器人進(jìn)入安全區(qū)后,障礙物對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)影響很小.依據(jù)所設(shè)計(jì)的避障行為算法,如果機(jī)器人處于大范圍的無(wú)障礙區(qū),在狀態(tài)S(n)下,機(jī)器人所受的斥力F(n)=0,分別執(zhí)行11個(gè)不同動(dòng)作后,機(jī)器人的狀態(tài)為Si(n+1),所對(duì)應(yīng)的斥力為Fi(n+1)=0.利用公式(5)～(7),求取機(jī)器人下一步的運(yùn)動(dòng)方向時(shí),選擇的都是a0動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的方向,即在當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向的基礎(chǔ)上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)50°.由此就會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人在此區(qū)域內(nèi)徘徊,以圓為運(yùn)動(dòng)軌跡的情況,即出現(xiàn)死鎖,如圖4所示.在仿真圖形中障礙物用圓形物體表示,路徑用星號(hào)來(lái)表示,發(fā)出探測(cè)線的位置為機(jī)器人的起始點(diǎn).

圖4 機(jī)器人死鎖現(xiàn)象

為避免機(jī)器人在進(jìn)入安全區(qū)后發(fā)生死鎖情況,本文提出隨機(jī)動(dòng)作概念.當(dāng)機(jī)器人11個(gè)方向上相鄰時(shí)刻的受力之差都為0時(shí),表明機(jī)器人進(jìn)入死鎖狀態(tài).這時(shí)使用隨機(jī)動(dòng)作,即機(jī)器人隨機(jī)選擇a0～a10中的任一動(dòng)作ai.機(jī)器人下一步的移動(dòng)方向?yàn)樵诋?dāng)前運(yùn)動(dòng)方向的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)動(dòng)作ai所對(duì)應(yīng)的角度.由于機(jī)器人每次選擇的動(dòng)作,有很大的隨機(jī)性,出現(xiàn)連續(xù)多次選擇同一動(dòng)作的幾率很小,所以機(jī)器人做圓形軌跡運(yùn)動(dòng)的情況很少發(fā)生.應(yīng)用此概念后,機(jī)器人發(fā)生死鎖的幾率大大降低.

死鎖問(wèn)題的發(fā)生除上述提到的情況外,還有可能在機(jī)器人左右兩側(cè)的障礙物的分布對(duì)稱時(shí)發(fā)生,此時(shí)機(jī)器人在此區(qū)域來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng),但始終不能走出此區(qū)域.解決此種問(wèn)題的方法同樣是使用隨機(jī)動(dòng)作概念.

2.4 行為融合

行為融合是決定機(jī)器人如何漫游的關(guān)鍵因素.機(jī)器人根據(jù)探測(cè)到的6個(gè)方向上的環(huán)境信息,判斷其所處區(qū)域,并選擇相對(duì)應(yīng)的行為.具體規(guī)則如圖5所示.

圖5中di(i=1,…,6)為相應(yīng)方向上測(cè)得的最近障礙物的距離.當(dāng)對(duì)任何i(i=1,…6)都有di≤d_danger時(shí),機(jī)器人采取緊急行為;當(dāng)對(duì)任何i(i=1,…6)都有di＞d_safe時(shí),機(jī)器人執(zhí)行自由行為;當(dāng)檢測(cè)到的距離信息不符合以上兩種條件時(shí),機(jī)器人執(zhí)行避障行為;判斷結(jié)束后,機(jī)器人根據(jù)融合結(jié)果運(yùn)動(dòng),同時(shí)聲納傳感器重新檢測(cè)當(dāng)前的環(huán)境信息.

圖5 融合規(guī)則示意圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)

利用以上設(shè)計(jì)的漫游行為,對(duì)移動(dòng)機(jī)器人在具有不同障礙物的環(huán)境進(jìn)行仿真.仿真圖形如圖4所示.仿真結(jié)果如圖6～9所示.

圖6 普通障礙物環(huán)境

仿真結(jié)果表明,機(jī)器人在如圖6所示障礙物的環(huán)境下中,能有效的躲避障礙物,并能在大部分區(qū)域中漫游.在圖7所示的具有特殊的U型障礙物的環(huán)境,機(jī)器人能逃離U性區(qū)域并漫游.圖8表明機(jī)器人在處于危險(xiǎn)區(qū)時(shí),利用緊急行為,能快速逃離危險(xiǎn)區(qū).圖9是機(jī)器人在處于大范圍的無(wú)障礙物的區(qū)域內(nèi),利用隨機(jī)動(dòng)作,避免了死鎖情況的發(fā)生.

4 結(jié)論

圖7 U型障礙物環(huán)境

圖8 存在危險(xiǎn)區(qū)的環(huán)境

圖9 安全區(qū)較大的環(huán)境

本文提出了一種移動(dòng)機(jī)器人在不確定環(huán)境下漫游行為的設(shè)計(jì)方法,仿真結(jié)果表明,算法具有以下特點(diǎn):

1)能夠在具有U型障礙物和危險(xiǎn)區(qū)的復(fù)雜環(huán)境下有效地實(shí)現(xiàn)漫游行為.

2)通過(guò)使用隨機(jī)動(dòng)作,解決了傳統(tǒng)算法中容易出現(xiàn)的死鎖問(wèn)題.

3)障礙物是以圓形實(shí)現(xiàn)的,但是算法同樣適用于其它形狀的障礙物.

算法能較好地完成機(jī)器人漫游行為,但也存在一些不足之處,如規(guī)劃路徑中存在多段重復(fù)的漫游路徑,以及機(jī)器人尚不能完全遍歷環(huán)境中的障礙物.這些問(wèn)題將是今后研究的方向及重點(diǎn).

[1]章蘇書,吳敏,曹衛(wèi)華.一種局部動(dòng)態(tài)環(huán)境下的避障算法[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化,2003,22(1):12-15.

[2]Das T,Kar I N.Design and implementation of an adaptive fuzzy logic-based controller for wheeled mobile robots[J].IEEE Transactions on Control System Technology,2006,14(3):501-510.

[3]單建華.基于行為的實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃[J].控制工程,2009,16(3):367-370.

[4]宋梅萍,顧國(guó)昌,張汝波.移動(dòng)機(jī)器人的自適應(yīng)式行為融合方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,26(5):580-590

[5]李彩虹.移動(dòng)機(jī)器人智能體混合式體系結(jié)構(gòu)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2007