基于迷宮探索規(guī)則的機(jī)器人未知環(huán)境探索算法研究

瞿洋 陳歡歡

摘 要：針對移動機(jī)器人在未知環(huán)境下進(jìn)行自主探索，并構(gòu)建地圖的需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于迷宮探索規(guī)則的未知環(huán)境探索算法。分析了主要的路口類型，給出了基于摸墻算法的迷宮探索流程，討論了基于激光雷達(dá)的路口判別依據(jù)，提出了基于迷宮探索規(guī)則的機(jī)器人未知環(huán)境探索算法流程，并采用TurtleBot 3 Burger機(jī)器人，在ROS框架下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，所給出的算法能夠有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在未知環(huán)境下的自主探索，并實(shí)現(xiàn)了地圖構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：移動機(jī)器人;未知環(huán)境;ROS;摸墻算法

中圖分類號：TP301. 6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0034-02

0 引言

機(jī)器人對未知環(huán)境自主感知、導(dǎo)航的能力，是其自主執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)的基礎(chǔ)[1，2]。隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，人們對機(jī)器人自動化程度的需求日益增高，隨之而來的是對機(jī)器人自主環(huán)境感知與導(dǎo)航能力要求的提高。

當(dāng)前，對未知環(huán)境的探索，在機(jī)器人學(xué)研究領(lǐng)域，主要的方法為同步定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）[3]，該方法基于機(jī)器人搭載的各類傳感器，通過構(gòu)建狀態(tài)方程與量測方程，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人當(dāng)前時(shí)刻相對位姿的估計(jì)以及對周圍環(huán)境特征的位姿估計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的感知以及對機(jī)器人的定位，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)真正的自主的關(guān)鍵。

1 基于摸墻算法的迷宮探索方法

1.1 迷宮道路及路口類型

對于結(jié)構(gòu)化環(huán)境而言，通常環(huán)境中的道路及路口類型，主要包括以下幾種：（1）直線道路;（2）T形路口;（3）L形路口;（4）十字形路口;（5）死胡同;（6）回轉(zhuǎn)形等。

對于不同的道路及路口類型，基于不同的探索規(guī)則，具有不同的轉(zhuǎn)向選擇。基于摸墻算法的迷宮探索方法，根據(jù)左手摸墻或者右手摸墻的不同選擇，在遇到符合規(guī)則的可轉(zhuǎn)向路口時(shí)，選擇向左轉(zhuǎn)向或者向右轉(zhuǎn)向。

1.2 基于左（右）手摸墻規(guī)則的迷宮探索方法

1.2.1 基于左手摸墻規(guī)則的迷宮探索方法

基于左手摸墻規(guī)則的迷宮探索方法，是指當(dāng)?shù)竭_(dá)某一類型的路口時(shí)，若可向左側(cè)轉(zhuǎn)向通行，則優(yōu)先向左轉(zhuǎn)向，當(dāng)且僅當(dāng)只能向右轉(zhuǎn)向才能通行時(shí)，才向右轉(zhuǎn)向，算法流程如圖1所示。

1.2.2 基于右手摸墻規(guī)則的迷宮探索方法

基于右手摸墻規(guī)則的迷宮探索方法，是指當(dāng)?shù)竭_(dá)某一類型的路口時(shí)，若可向右側(cè)轉(zhuǎn)向通行，則優(yōu)先向右轉(zhuǎn)向，當(dāng)且僅當(dāng)只能向左轉(zhuǎn)向才能通行時(shí)，才向左轉(zhuǎn)向，算法流程如圖2所示。

2 基于迷宮探索規(guī)則的機(jī)器人未知環(huán)境探索算法

2.1 基于激光雷達(dá)的路口類型識別

激光雷達(dá)能夠獲取機(jī)器人周邊360°范圍內(nèi)的障礙物距離數(shù)據(jù)，能夠有效辨識當(dāng)前機(jī)器人所處的路口類型。設(shè)初始時(shí)刻機(jī)器人位于道路中央，迷宮道路寬度為D，機(jī)器人運(yùn)動方向?yàn)榧す饫走_(dá)掃描起點(diǎn)，逆時(shí)針對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，則根據(jù)激光雷達(dá)前方、左方、右方以及后方一定角度范圍內(nèi)的雷達(dá)數(shù)值均值與相應(yīng)閾值大小關(guān)系，可判定當(dāng)前機(jī)器人所處的路口類型。

對于直線形道路，左側(cè)、右側(cè)距離均小于某一閾值，前方、后方距離均大于某一閾值，同理可以進(jìn)行其他類型路口的識別。

2.2 ROS下的SLAM與路徑規(guī)劃算法

機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operate System）是近年來諸多優(yōu)秀的機(jī)器人軟件框架中最為突出、應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)。作為一個(gè)可以靈活編寫機(jī)器人應(yīng)用程序的框架，ROS集成了大量的工具、庫、協(xié)議，為用戶、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)以及外部設(shè)備提供了完備的通信功能，這些外部設(shè)備包括傳感器、攝像機(jī)，同時(shí)也包括機(jī)器人。

在諸多的工具和庫中，目前應(yīng)用最為廣泛的是ROS的導(dǎo)航功能包。導(dǎo)航功能包中提供了對當(dāng)前主流SLAM方法以及路徑規(guī)劃算法的支持，主要有g(shù)mapping、hector-slam、cartographer、rgbdslam以及ORB_SLAM、amcl功能包等，為同步定位與構(gòu)圖以及基于地圖的路徑規(guī)劃提供了支持。我們可以方便地在ROS下編寫自己的launch文件，接入自己的機(jī)器人平臺及相應(yīng)的環(huán)境感知設(shè)備，調(diào)用ROS中的slam算法功能包，并結(jié)合已知地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃。

2.3 基于迷宮探索規(guī)則的機(jī)器人未知環(huán)境探索算法

結(jié)合迷宮探索規(guī)則、SLAM算法以及路徑規(guī)劃算法，我們可以實(shí)現(xiàn)對于未知環(huán)境的規(guī)則化探索，探索的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的地圖構(gòu)建，并能夠?yàn)楹罄m(xù)其他機(jī)器人的自主導(dǎo)航提供依據(jù)，基于迷宮探索規(guī)則與SLAM算法進(jìn)行探索與地圖構(gòu)建的具體算法流程如圖3所示。

在基于圖3所示的未知環(huán)境探索與地圖構(gòu)建算法的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)對未知環(huán)境的探索，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對環(huán)境地圖的構(gòu)建，基于構(gòu)建的地圖，借助ROS所提供的路徑規(guī)劃算法，即可以實(shí)現(xiàn)為后續(xù)其他機(jī)器人平臺的路徑規(guī)劃，從而為自主導(dǎo)航提供支持。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與設(shè)備

基于Ubuntu 16.04操作系統(tǒng)、ROS Kinetic發(fā)行版作為軟件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用機(jī)器人平臺為TurtleBot 3 Burger，其性能參數(shù)及傳感器配置如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以最為復(fù)雜的回轉(zhuǎn)路口為例，識別及轉(zhuǎn)向結(jié)果如圖4所示。

選擇性能較為優(yōu)異的cartographer作為SLAM處理算法，在地圖上選擇起點(diǎn)與終點(diǎn)，則地圖構(gòu)建與路徑規(guī)劃結(jié)果如圖5所示。

從圖4、5所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于本文所提出的方法，機(jī)器人能夠從未知環(huán)境中由起點(diǎn)運(yùn)動至指定的終點(diǎn)，并且構(gòu)建由起點(diǎn)至終點(diǎn)的地圖，基于該地圖，結(jié)合ROS框架下的路徑規(guī)劃功能包，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主導(dǎo)航。

4 結(jié)語

針對移動機(jī)器人在未知環(huán)境下進(jìn)行自主探索，并構(gòu)建地圖的需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于迷宮探索規(guī)則的未知環(huán)境探索算法。給出了基于摸墻算法的迷宮探索流程，討論了基于激光雷達(dá)的路口判別依據(jù)，結(jié)合ROS下的SLAM功能包與路徑規(guī)劃功能包，提出了基于迷宮探索規(guī)則的機(jī)器人未知環(huán)境探索算法流程，并采用TurtleBot 3 Burger機(jī)器人，在ROS框架下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，所給出的算法能夠有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在未知環(huán)境下的自主探索與地圖構(gòu)建，能夠?yàn)闄C(jī)器人自主導(dǎo)航提供支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁明杰，閔華清，羅榮華.基于圖優(yōu)化的同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建綜述[J].機(jī)器人，2013，35（4）：500-512.

[2] 梁明杰.機(jī)器人認(rèn)知地圖創(chuàng)建關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué)，2014.

[3] 胡春旭，編著.ROS機(jī)器人開發(fā)實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.