基于ROS操作系統(tǒng)的機(jī)器人路徑規(guī)劃仿真

劉慶 鄧杰銘 張棚

摘 要：當(dāng)今社會(huì)，機(jī)器人和無人駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中，路徑規(guī)劃作為該領(lǐng)域的研究問題之一，具有重要的理論研究意義和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。本文分析了ROS操作系統(tǒng)的構(gòu)成，基于ROS操作系統(tǒng)上分析了路徑規(guī)劃的分類以及不同的路徑規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)在不同場(chǎng)景設(shè)定初始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用A*算法以及動(dòng)態(tài)窗口算法，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行路徑規(guī)劃仿真，根據(jù)兩種路徑規(guī)劃算法的實(shí)現(xiàn)過程，得到仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：ROS 路徑規(guī)劃 A*算法 動(dòng)態(tài)窗口算法

1引言

目前，工信和信息化部、國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部等三部委聯(lián)合印發(fā)了《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展描繪了清晰的藍(lán)圖，構(gòu)建智能制造為根本特征的新型移動(dòng)機(jī)器人，相比于傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人只能在事先設(shè)定好的程序和熟悉的環(huán)境中進(jìn)行機(jī)械性動(dòng)作，新型移動(dòng)機(jī)器人具有自主規(guī)劃路徑、自主導(dǎo)航、自主避障的智能機(jī)器人。

移動(dòng)機(jī)器人在各行業(yè)中的應(yīng)用環(huán)境的不同，面臨不同的運(yùn)動(dòng)軌跡和突發(fā)問題，這急需提高移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用性能。未來，無人駕駛汽車、巡檢機(jī)器人等設(shè)備的發(fā)展都需要使用機(jī)器人的路徑規(guī)劃與自主導(dǎo)航功能，因此，移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃能力至關(guān)重要[1]。為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃，采用基于ROS操作系統(tǒng)的路徑規(guī)劃算法制定最優(yōu)路徑。

2 ROS操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

ROS是一個(gè)適用于機(jī)器人的開源的元操作系統(tǒng)，它提供了操作系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù)，主要目標(biāo)是為機(jī)器人研究和開發(fā)提供代碼復(fù)用的支持。

ROS是將原本松散的零部件耦合在一起，這些零部件稱為節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行，與其他節(jié)點(diǎn)相互通信。ROS提供了大量的功能包，開發(fā)者可以直接調(diào)用包含所需節(jié)點(diǎn)的包，ROS支持多語言開發(fā)，不同的節(jié)點(diǎn)可以使用不同的語言開發(fā)，這種具有獨(dú)立性和開源型的模塊化開發(fā)設(shè)計(jì)提高了共享性和開發(fā)效率[2]。ROS是通訊機(jī)制、工具軟件包、機(jī)器人高層技能以及機(jī)器人生態(tài)系統(tǒng)的集合。

3移動(dòng)機(jī)器人仿真設(shè)計(jì)

3.1仿真系統(tǒng)架構(gòu)

采用模塊化設(shè)計(jì)可提高系統(tǒng)利用率，將仿真系統(tǒng)分為環(huán)境搭建、算法模塊、起始/目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、障礙設(shè)置四大模塊，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

3.2仿真目標(biāo)設(shè)計(jì)

（1）搭建界面友好的仿真環(huán)境，將界面設(shè)計(jì)的美觀且人性化、展現(xiàn)的與真實(shí)場(chǎng)景相似。

（2）界面可以在移動(dòng)機(jī)器人能到達(dá)的場(chǎng)景范圍內(nèi)變換場(chǎng)景設(shè)施、障礙設(shè)置。

（3）可隨意設(shè)置移動(dòng)機(jī)器人的起始節(jié)點(diǎn)位置以及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置。

（4）根據(jù)不同的路徑規(guī)劃算法使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，比較不同算法之間的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.3系統(tǒng)仿真平臺(tái)

在Ubuntu20.0環(huán)境下搭建的ROS操作系統(tǒng)為移動(dòng)機(jī)器人提供了一系列的控制器接口、傳感器接口、工具箱等，所提供的功能包提高機(jī)器人開發(fā)效率。使用Gazebo作為系統(tǒng)仿真軟件，需要在Gazebo中配置移動(dòng)機(jī)器人模型、創(chuàng)建不同仿真環(huán)境。

4路徑規(guī)劃算法的實(shí)現(xiàn)

路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的最基本環(huán)節(jié)，主要包括感知、決策、控制，一般的路徑規(guī)劃指的是決策部分，如圖4所示。在有障礙物的運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)路徑，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中能無碰撞、安全的繞過所有障礙物，機(jī)器人需要對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境做出綜合判斷，并規(guī)劃出最優(yōu)路徑。

在仿真環(huán)境中采用A*算法、動(dòng)態(tài)窗口算法[3]對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑模擬，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃仿真。

首先在Gazebo軟件中模擬真實(shí)場(chǎng)景，給定移動(dòng)機(jī)器人的初始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，A*算法在地圖中搜索節(jié)點(diǎn)信息[4]，根據(jù)下一節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離做出估價(jià)，得到目前節(jié)點(diǎn)的最有路徑的可能性，快速搜索出可能性最大的路徑。

相比于A*算法的搜索啟發(fā)式路徑規(guī)劃，動(dòng)態(tài)窗口算法是對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的行駛軌跡、模型速度采樣，由此得到不同運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)每條軌跡的不同角度差、最短距離以及當(dāng)前速度分別對(duì)每條路徑進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。

5實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)在虛擬機(jī)上運(yùn)行，使用Linux操作系統(tǒng)，采用Gazebo作為開發(fā)平臺(tái)，移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃驗(yàn)證結(jié)果都在仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

使用A*算法和動(dòng)態(tài)窗口算法分別實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃，并且機(jī)器人在不同的場(chǎng)景使用不同的算法，如圖3所示。

由仿真實(shí)驗(yàn)可以得到在不同場(chǎng)景中使用不同算法，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，根據(jù)初始節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的設(shè)定，機(jī)器人能夠成功避開設(shè)定障礙，找到最優(yōu)路徑，實(shí)現(xiàn)達(dá)到目標(biāo)位置。結(jié)果表明，A*算法適用于靜態(tài)搜索路徑，環(huán)境一旦變化，則需重新開始規(guī)劃節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)路徑，相對(duì)于A*算法，動(dòng)態(tài)窗口算法適用于局部路徑規(guī)劃，將全局路徑進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，直到到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

6結(jié)語

（1）本文主要對(duì)基于ROS操作系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃的場(chǎng)景仿真，采用不同路徑規(guī)劃算法，找到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)路徑，得到安全、穩(wěn)定的避障路徑，完成動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。

（2）仿真A*算法與動(dòng)態(tài)窗口算法的路徑規(guī)劃。通過仿真可以看出兩種算法的區(qū)別，并驗(yàn)證了兩種算法的適用情況以及優(yōu)缺點(diǎn)，完成移動(dòng)機(jī)器人在不同場(chǎng)景、不同算法的路徑規(guī)劃。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

劉慶 ，女 ， 重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室? 在讀研究生 研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用

基金：重慶市教委雛鷹計(jì)劃第九期研究項(xiàng)目“基于Hadoop智能家居管理軟件的研究與設(shè)計(jì)”（編號(hào)：CY200609）