基于matlab的移動機器人光照度檢測路徑規(guī)劃設計

安徽省計量科學研究院 安徽 合肥 230000

1 引言

本設計用于移動機器人路徑規(guī)劃，使用matlab編程軟件和遺傳算法實現(xiàn)。很多論文只提到利用matlab軟件進行機器人路徑規(guī)劃，但是沒有將計算結(jié)果用于對機器人的實際控制。本設計利用matlab的串口編程工具，將matlab的算法工具用于實際工業(yè)控制，可外接探測探頭，實現(xiàn)照度，溫度等環(huán)境檢測。

路徑規(guī)劃常用算法有模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法、蟻群算法和遺傳算法等。遺傳算法運用于移動機器人路徑規(guī)劃的基本思想是：將路徑表達為路徑中一系列中途點，并轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。首先初始化路徑群體，然后進行遺傳操作，如選擇、交叉、復制、變異。經(jīng)過若干代進化以后，停止進化，輸出當前最優(yōu)個體。

2 基于遺傳算法的路徑規(guī)劃程序設計

機器人路徑規(guī)劃的主要程序框架為：①將機器人工作區(qū)域的點標記在坐標圖上，橫軸為X軸，縱軸為Y軸。②確定機器人工作點，以及機器人的起始位置和終止位置。③生成初始種群，采用遺傳算法生成路徑。④得出機器人工作空間中從起始位置到終止位置的最優(yōu)路徑。⑤將表示最優(yōu)路徑的數(shù)據(jù)通過串口和無線模塊發(fā)送給機器人。

本文接下來介紹求解最短路徑問題的遺傳算法的具體步驟：

求最短路徑問題，描述如下：在圖G(V，A)中，V表示工作點集合，即V=(v1，v2，…，vn).單個路徑長度d(v i，v j)表示兩個點v i，v j的距離。路徑的總長度定義為各條路徑的長度總和。

(1)染色體編碼：采用整數(shù)排列編碼方法，對于一個給定的模型，將圖中各頂點序號排序，然后按此順序?qū)⒚總€待選工作點或頂點作為染色體的一個基因。此染色體中的基因排列順序即為各頂點在次條通路中出現(xiàn)的先后順序，染色體的長度應等于該圖中的頂點個數(shù)。在本程序的TSP問題中一共有13個工作點，也就是在圖模型中有13個頂點，因此一個染色體的長度為13。

(2)種群初始化：在完成染色體編碼后，必須產(chǎn)生一個初始種群作為起始解，所以首先需要決定初始種群的數(shù)目。初始種群的數(shù)目視工作點數(shù)目的多少而確定，一般取值50-200.

(3)適應度函數(shù)f(i)：適應度，表示個體對于環(huán)境的適應程度。對生存環(huán)境適應程度比較高的物種將獲得更多的繁衍機會，而對生存環(huán)境適應程度比較低的物種將獲得的繁衍機會就會相對較少，甚至逐漸滅絕。適應度準則體現(xiàn)了適者生存，不適應者淘汰的自然法則。

對該最優(yōu)化問題，工作點距離總長度越小越好。就是要尋找最優(yōu)解，使適應度函數(shù)值最大。適應度函數(shù)值越大的染色體越優(yōu)質(zhì)，反之越劣質(zhì)。

(4)選擇操作：選擇作為交叉的雙親，是根據(jù)前代染色體的適應函數(shù)值所確定的，質(zhì)量好的個體，即從起點到終點路徑長度短的個體被選中的概率較大。

(5)交叉與變異操作：將被選中的兩個染色體進行交叉操作的過程是先產(chǎn)生一個隨機數(shù)，確定交叉點，位于染色體的第幾位基因上.然后在此位置進行部分基因交換。變異是采用隨機數(shù)選取兩個點，將它們對換位置。變異的意義為在某條路徑上去掉或增加某頂點。

對每個個體進行交叉變異，然后代入適應度函數(shù)進行評估，選擇適應度大的個體進行下一代的交叉和變異。循環(huán)操作，判斷是否滿足設定的最大遺傳代數(shù)，不滿足則繼續(xù)適應度數(shù)值的計算，如果到達最大遺傳代數(shù)，結(jié)束循環(huán)操作。

設定的機器人要到達的工作點坐標為：[10，10；10，30；10，40；20，40；20，50；20，60；30，60；30，45；40，50；50，50；55，40；60，20；30，20].

遺傳參數(shù)設置如下：種群大小NIND=100；最大遺傳代數(shù)MAXGEN=150；交叉概率Pc=0.9；變異概率Pm=0.05；代溝GGAP=0.9.

圖1 初始路徑圖

圖2 最優(yōu)路徑圖

最優(yōu)解：

1—＞2—＞3—＞4—＞5—＞6—＞7—＞8—＞9—＞10—＞11—＞12—＞13—＞1

總距離：190.3369

3 結(jié)論

本設計用于解決移動機器人路徑規(guī)劃的實際問題。移動機器人和計算機通過NRF905無線模塊和串口通信。移動機器人將工作點數(shù)據(jù)傳送到計算機matlab上位機程序，用戶點擊路徑規(guī)劃按鍵，matlab軟件利用遺傳算法算出最短路徑，再通過串口發(fā)送給移動機器人，機器人在到達指定位置后，可通過自身攜帶的探頭測量所需的光照度參數(shù)，通過方便準確的定位得到測量數(shù)據(jù)。