移动机器人避障规划的一种实现方法.pdf

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1、第 23卷Vo.l 23?第 9期No.9重 庆 工 学 院 学 报(自然科学)JournalofChongqing Institute ofTechnology(Natural Science)2009年 9月Sep.2009?*?收稿日期:2009-03-17基金项目:江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(CX08B_044Z).作者简介:毛建国(1957?),男,副教授,主要从事嵌入式系统设计、智能仪器仪表等方面的研究.移动机器人避障规划的一种实现方法*毛建国1,顾?筠2(1.南京航空航天大学 车辆工程系,南京?210016;2.江苏广播电视大学 信息工程系,南京?210017)摘?

2、要:通过模糊控制理论来解决移动机器人的自动避障问题.介绍了模糊控制理论以及如何利用模糊控制算法实现移动机器人自动地躲避障碍物.通过适当地选取输入、输出量,建立模糊控制规则和推理方法来建立模糊控制器,并进行计算机仿真.结果表明,应用该算法机器人能够较为准确、快速地躲避障碍物并到达目标点.关键词:机器人;模糊控制;避障中图分类号:TP24?文献标识码:A文章编号:1671-0924(2009)09-0063-05A RealizationM ethod forM obile Robot sObstacle Avoidance PlanningMAO Jian-guo1,GU Jun2(1.Depa

3、rt ment ofVehicle Engineering,Nanjing University ofAeronautics&Astronautics,Nanjing 210016,China;2.Department of Infor mation Engineering,Jiangsu Radio andTV University,Nanjing 210017,China)Abstract:In this article,fuzzy control theory is used to solve the robot s obstacle avoidance proble m.The fuz

4、zy logic control(FLC)theory is introduced briefly,aswell as how the fuzzy control algorithmfunctions to make sure the robot to avoid the obstacle automatically.The inputs and the outputs of theFLC system are selected suitably to establish the fuzzy control rules and the fuzzy controller.Computersi m

5、ulation results show tha,t by using this algorithm,the robot can avoid the obstacle accurately,andarrive at the destination quickly.Key words:robo;t fuzzy contro;l obstacle avoidance?移动机器人是一种能在复杂环境下工作的具有自主规划、自组织、自适应能力的机器人.在移动机器人的实际应用中,大多数情况下机器人是处于一个完全未知或者部分未知的复杂环境当中,这就要求机器人具备较高的自我定位、环境识别、路径规划和躲避障碍的能

6、力.1965年,L.A.扎德(Zadeh)首先提出了模糊集合的概念.模糊控制是模糊集合理论应用的一个重要方面,其应用范围从工业控制扩展到了诸多领域.模糊控制主要是模仿人的控制经验而不依赖于被控对象的精确数学模型,这就使其可以用于控制不确定的模型或者是难以建立精确数学模型的控制对象.同时传感器得到的数据可能存在一定的噪声和误差,模糊控制的另一个优点是可以容纳这种不确定的输入信息,通过输入空间到输出空间的非线性映射,产生控制信息.本文中就是利用模糊控制理论来解决移动机器人的自动避障规划问题的.1?模糊控制理论1.1?模糊集合模糊集合是模糊控制理论的基础.模糊集合作为一种特殊的集合,它与普通集合有着

7、一定的区别:在普通的集合中,一个元素要么属于该集合,要么不属于,界限明确.但在模糊集合理论中,一个元素可以即属于又不属于该集合,采用隶属度的概念来定义.模糊集合定义:给定论域 X,A=x 是 X 中的模糊集合的含义是?A:X 0,1这样的隶属度函数表示其特征的集合.若?Ax接近 1,表示 X 属于 A 的程度高;?Ax 接近 0,表示 X 属于 A 的程度低.论域 X 指的是讨论的事物的全体.模糊集合有很多表示方法,最根本的是要将它所包含的元素及相应的隶属度函数表示出来.模糊数学研究的是模糊对象,是一种不确定性数学,却是一种可以借助定量的方法来研究模糊现象的有效工具.1.2?模糊控制的基本原理

8、模糊控制器主要由模糊化、知识库、模糊推理和清晰化 4个部分组成(如图 1).图 1?模糊控制器的结构首先将输入的精确量转换成模糊化量.其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等.知识库包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标,由数据库和模糊规则库 2部分组成.模糊推理是模糊控制的核心,它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力.清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量(模糊量)变换为实际用于控制的清晰量.2?模糊控制算法在避障规划上的应用在移动机器人上装有定位装置,用于确定任意时刻目标点与自身的位置,并采用了 6个频率为 40 kHz的超声波传感器,分别布置在机器人的前端和两侧(分布位置如图 2

9、),用来测量障碍物离移动机器人的距离信息.图 2?超声波传感器分布超声波传感器具有造价低、技术成熟、抗干扰性强等诸多优点,在一定的灵敏范围内精度也比较高.模仿人类的避障习惯,即人在距离障碍物一定距离的时候才采取避障行动,所以在实际的避障行为中,我们也设定一定的避障距离(本文中称作危险距离 d).对于模糊控制器的设计,可以分成以下步骤:1)建立被控对象的模型;2)定义模糊变量、模糊集合及相应的隶属度函数;3)采用模糊条件句来描述输入、输出之间的映射关系,制定模糊规则.为了实现移动机器人自动避障,将整个避障过程的控制分为 2种模式:寻踪模式和避障模式.当机器人与障碍物的距离大于危险距离 d 时,采

10、取寻踪模式,即小车仍朝着目标点方向前进;当小车逐步逼近障碍物,直到离障碍物的距离为 d 时,64重 庆 工 学 院 学 报采取避障模式;成功避开障碍物后,切换回寻踪模式.整个避障的过程就是在这 2种模式间切换进行的,以确保机器人逐步接近目标点,且能够避开路径中的障碍物.2种模式均采用了双输入、单输出的模糊控制模型.2.1?寻踪模式(模式 1)输入量:机器人距离目标点的距离 D;机器人行进方向和目标方向夹角?.输出量:控制机器人的转角 .输入输出的实际取值量化到一定的区域内,例如将机器人距目标点的距离 D 量化到 0,10.采用模糊语言来定义输入、ZE(0)、S(small)、M(medium)

11、、L(large).此处,将机器人行进方向与目标方向夹角取值量化为 -200,200,默认目标点在机器人左侧时方向夹角为正,位于机器人右侧时为负;相应的方向夹角的模糊语言定义为:NB(negative big)、NM(negative m ediu m)、NS(negative small)、ZE(zer0)、PS(positive small)、PM(positive medium)、PB(positive big).类似的,默认机器人左转为正,右转为负,转角大小量化到 -30,30,转角的模糊语言定义为:BR(right big)、MR(right medium)、SR(rightsmal

12、l)、ZE(zero)、SL(left small)、mL(leftmedium)、BL(left big).模式 1下的输入输出量的隶属度函数见图 3.图 3?寻踪模式下的输入、输出隶属度函数?控制规则:目标点在机器人左侧,则左转;目标点在机器人右侧,则右转;目标点在前方,前进;目标点在后,转左,直到朝前;如果机器人运动方向不朝向目标点,离目标越近,转角越大;如果离目标点距离小,且夹角大,则转角大;如果夹角为 0,不转.2.2?避障模式(模式 2)输入量:前端传感器测得的距离 df;两侧传感器测得的距离 ds.输出量:控制机器人的转角 .模式 2下的输入输出量的隶属度函数见图 4.控制规则:

13、如障碍物位于机器人右侧,左转;如障碍物位于机器人左侧,右转;如障碍物在正前,默认左转.3?计算机仿真实例在软件环境下验证该算法的可行性,仿真程序采用 VC+6.0编写、实现.避障过程的模拟分为如下部分:a)机器人的建模.包括机器人的尺寸,运行速度(步长).65毛建国,等:移动机器人避障规划的一种实现方法图 4?避障模式下的输入、输出隶属度函数b)环境的模拟.起始位置、目标位置、碍物由函数描述.c)硬件模拟.包括器人的定位,目标点的距离 D,车行方向与目标方向夹角.编写传感器(sensor)函数,用于计算机器人与障碍物的相对位置信息 ds,df.d)控制器的模拟.一组环境信息输入,一组传感器信息

14、输入,经规则推理,得到控制角 ,并影响指导机器人下一步的行动.仿真效果如图 5和图 6.1)在寻踪模式作用下机器人的初始位置(1,1),初始夹角 135!,目标位置(10,10),步长 0.5.如仿真结果显示:机器人可以逐渐调整车行方向和自身位置,转为朝向目标方向,并到达目标点.2)在 2种模式同时作用下初始位置(2,1),初始夹角 45!,步长 0.5,目标位置(10,10),途中放置了一个近似圆形的障碍物(当然此处的障碍物形状可变,个数也可以增加).如仿真图显示,机器人在启动后,先在模式 1的作用下调整行进方向并逐步驶向目标点.当传感器测得的障碍物距离等于危险值时,模式 2开始作用,使机器

15、人逐渐避让开障碍.完全躲避开障66重 庆 工 学 院 学 报碍后,机器人又回到模式 1状态行进.如再遇到障碍,重复上述过程,直到最终到达目标点.整个避障模式中,实时地记录下机器人每一步的位置信息.4?结束语本文中采用了模糊控制方法来解决移动机器人的避障问题.以传感器采集的信息作为输入量,以人为躲避障碍物的经验为基础,建立模糊规则,得出控制信息并作用于机器人,最后通过 VC+进行了计算和仿真.仿真效果证明,这种控制算法有较好的避障效果和可行性.参考文献:1?孙增圻.智能控制理论与技术 M.北京:清华大学出版社,1997.2?楼顺天.基于 MATLAB的系统分析与设计-模糊系统 M.西安:西安电子

16、科技大学出版社,2001.3?LEE LI.Fuzzy motion planning of mobile robots inunkno wn environments J.Journal of Intelligent andRobotic Systems,2003,37:177-191.4?LEE S.A fuzzy navigation syste m for mobile constructionrobots J.Automation inConstruction,1997(6):97-107.5?Ching-chang Wong.A M ethod for Obstacle Avoid

17、anceand Shooting Action of the Robot Soccer C/IEEEInternational Conference on Robotics&Auto mation.S.l:s.n.,2001.6?黄素平,何清华.一种移动机器人路径规划方法 J.机床与液压,2004(5):45-46.7?付宜利,顾晓宇.基于模糊控制的自主机器人路径规划策略研究 J.机器人,2004(6):548-552.8?温素芳,朱齐丹,张小仿.基于模糊控制器的移动机器人路径规划仿真 J.应用科技,2005(4):31-33.(责任编辑?陈?松)67毛建国,等:移动机器人避障规划的一种实现方法