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機(jī)器人環(huán)境地圖與路徑規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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1、機(jī)器人環(huán)境地圖與路徑規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 機(jī)器人環(huán)境地圖與路徑規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 2019/09/29 摘要:針對實(shí)體店各種品牌店數(shù)量增多導(dǎo)致購物者很難快速找到合適店鋪的問題,提出了采用激光模塊、語音模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊等設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種針對在商場中的自主導(dǎo)航系統(tǒng),將傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃A(A-Star)算法優(yōu)化為雙向A算法,提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,為實(shí)體店鋪中的智能推薦與智能引導(dǎo)提供便利。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地定位目標(biāo)店鋪并智能引導(dǎo)購物者去往目的地,具有較好的實(shí)時(shí)性、魯棒性及

2、實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞:地圖構(gòu)建;激光雷達(dá);路徑規(guī)劃A算法 引言 隨著現(xiàn)代化商場規(guī)模日益擴(kuò)大,人們在面對大型商場中各品牌店鋪數(shù)量增多、地形復(fù)雜且易迷路等問題時(shí),人們很難快速地從各大商場中找到自己喜歡或欲到達(dá)的店鋪。目前,在導(dǎo)航方面,全球定位系統(tǒng)(GPS)定位導(dǎo)航室外精度為幾米,然而在室內(nèi)GPS卻無法進(jìn)行定位。傳統(tǒng)室內(nèi)導(dǎo)航的方法運(yùn)用黑線檢測導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航等技術(shù),這些技術(shù)在改變和擴(kuò)充路徑時(shí)都較麻煩且需要在地面鋪設(shè)引導(dǎo)線,這在實(shí)際場景中在實(shí)現(xiàn)與用戶體驗(yàn)上都有很大的局限。為此,學(xué)者們對相關(guān)技術(shù)展開了大量研究,伍洲等人[1]設(shè)計(jì)了上位機(jī)與DSP下位機(jī)的學(xué)習(xí)型

3、智能規(guī)劃路徑機(jī)器人系統(tǒng),黃超等人[2]采用射頻技術(shù)(RFID)進(jìn)行定位,地磁感應(yīng)電子羅盤相結(jié)合進(jìn)行導(dǎo)航;Turk等人[3]對跟蹤特定地面的自主導(dǎo)航問題,采用彩色攝像機(jī)和激光測距儀完成通過路面跟蹤進(jìn)行車輛自主導(dǎo)航。這些方法及系統(tǒng)對于實(shí)際操作、用戶體驗(yàn)等方面都還有所欠缺。本文設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)導(dǎo)購機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用優(yōu)化的A算法進(jìn)行路徑規(guī)劃后導(dǎo)航。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)能在突然有人出現(xiàn)時(shí),能很好地避障且在較為復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中具有很好的實(shí)時(shí)性與魯棒性。 1室內(nèi)導(dǎo)購機(jī)器人系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)由前端室內(nèi)導(dǎo)購機(jī)器人和后端大數(shù)據(jù)云平臺(tái)組成。本系統(tǒng)采用樹莓派作為主控芯片,搭載雷達(dá)模

4、塊、無線傳輸模塊、語音模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊等功能模塊完成對購物者引導(dǎo)至指定店鋪或推薦店鋪的功能。前端室內(nèi)導(dǎo)購機(jī)器人實(shí)現(xiàn)語音交互、構(gòu)建地圖、路徑規(guī)劃避障、智能導(dǎo)航等功能;后端在大數(shù)據(jù)云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)店鋪推薦功能。本系統(tǒng)的核心功能為:將語音識別所得推薦店鋪名或大數(shù)據(jù)云平臺(tái)處理所得推薦店鋪名與前端進(jìn)行信息交互,從而引導(dǎo)購物者到達(dá)目的地。整體系統(tǒng)功能如圖1所示。本文主要完成導(dǎo)航系統(tǒng)中室內(nèi)導(dǎo)購機(jī)器人地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航部分設(shè)計(jì)。室內(nèi)導(dǎo)購機(jī)器人自主導(dǎo)航采用安裝Linux系統(tǒng)并配置ROS的樹莓派作為主控單元,采用思嵐v1激光雷達(dá)與慣性測量模組GY85對周圍信息感知后構(gòu)建商鋪位置信息已知的二維柵格地圖;運(yùn)用

5、基于STM32芯片及外圍電路進(jìn)行機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2室內(nèi)導(dǎo)購機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括安裝Linux系統(tǒng)并配置ROS(機(jī)器人操作系統(tǒng))的樹莓派核心板和思嵐v1激光雷達(dá)及慣性測量模組GY85模塊。2.1主控單元模塊考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及成本的原因,采用樹莓派核心板作為主控模塊。在此模塊上采用ROS進(jìn)行開發(fā),ROS采用分布式進(jìn)程(即“節(jié)點(diǎn)”)框架進(jìn)行設(shè)備控制[4],通過不同節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程接收、發(fā)布、聚合各種信息,對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)操作和對各個(gè)部分功能單元所采集到的數(shù)據(jù)和信息匯總分析后,對機(jī)器人發(fā)出相應(yīng)的控制指令。 2.2激光雷達(dá)模塊

6、 思嵐v1激光雷達(dá)獲取機(jī)器人周圍的環(huán)境信息。此雷達(dá)擁有360掃描測距、12m半徑的測量范圍,在系統(tǒng)中此雷達(dá)模塊用于感知機(jī)器人周圍環(huán)境信息并與GY85提供的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合,為機(jī)器人的決策規(guī)劃提供準(zhǔn)確的環(huán)境信息和自身相對的位置信息,從而構(gòu)建地圖。 3室內(nèi)導(dǎo)購機(jī)器人自主導(dǎo)航算法 系統(tǒng)主要分為地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃等模塊組成。軟件設(shè)計(jì)主要以機(jī)器人前端作為服務(wù)端,大數(shù)據(jù)云平臺(tái)和TX2(NVIDIAJetsonTX2)作為客戶端進(jìn)行交互。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。軟件部分主要分為三個(gè)部分,大數(shù)據(jù)云平臺(tái)作為客戶端2與用戶交互得到目標(biāo)店鋪;客戶端1與用戶語音交互得到目標(biāo)店鋪;客

7、戶端1與客戶端2設(shè)置標(biāo)志位,確保機(jī)器人兩種方式用戶只能采取一種進(jìn)行操作,并將最后的目標(biāo)店鋪?zhàn)鳛檎埱蟀l(fā)送到服務(wù)端進(jìn)行操作。服務(wù)端對客戶端發(fā)送的目標(biāo)店鋪進(jìn)行文件寫、讀操作,并對目標(biāo)店鋪進(jìn)行規(guī)劃路徑與導(dǎo)航,最終到達(dá)目的地。 3.1先驗(yàn)地圖構(gòu)建 先驗(yàn)地圖構(gòu)建是機(jī)器人自主導(dǎo)航的基礎(chǔ),本文需構(gòu)建一個(gè)商鋪位置已知的地圖。通過激光雷達(dá)與GY85采集到的信息融合感知周圍環(huán)境信息,對信息進(jìn)行處理后生成局部地圖,同時(shí)開啟地圖服務(wù),移動(dòng)機(jī)器人將局部地圖更新至全局地圖中,控制機(jī)器人移動(dòng)到每個(gè)商鋪,將商鋪位置與朝向在代碼中定義,從而獲得商鋪在地圖中的位置,如此循環(huán),直至全局地圖不再變化、所

8、有商鋪商鋪位置信息已知時(shí),所需地圖構(gòu)建完成。 3.2A全局路徑規(guī)劃算法的優(yōu)化 3.2.1A算法原理A是一種啟發(fā)式的路徑搜索算法,從起始位置開始,有限擴(kuò)展從當(dāng)前位置距離目標(biāo)最近的路徑,一次擴(kuò)展當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的8個(gè)方向的點(diǎn)[5,6]。該算法的基本原理如下:通過估價(jià)函數(shù)h(n)中包含的信息搜索目標(biāo)所在方向算法路徑的形成f(n)=g(n)+h(n)(1)式中h(n)小于實(shí)際代價(jià),f(n)為起點(diǎn)經(jīng)過狀態(tài)n到達(dá)終點(diǎn)的總代價(jià),g(n)為路徑規(guī)劃的路徑代價(jià),h(n)為到達(dá)目標(biāo)的預(yù)測距離[7,8]。f(n)決定最短路徑,f(n)絕大部分取決于h(n),A得到代價(jià)最小路徑的前提是h(n)

9、必須小于與目標(biāo)的距離。如圖3所示,從Start出發(fā),當(dāng)前到達(dá)Middle點(diǎn),目標(biāo)為Goal點(diǎn),g(n)為到Middle的路徑代價(jià),h(n)為到達(dá)目標(biāo)的預(yù)測距離,g(n)最小化能維持最小路徑距離,h(n)最小化能持續(xù)聚焦于尋找目標(biāo),兩者之和為找到的最佳搜索策略。A找出代價(jià)最小的路徑的前提是所處環(huán)境為靜態(tài)環(huán)境。但在實(shí)際場景中,通常為較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境,此時(shí)對路徑規(guī)劃的要求較高,對于已構(gòu)建好的地圖中出現(xiàn)新障礙物時(shí),就對路徑規(guī)劃提出了較高要求。 3.2.2A算法的優(yōu)化為解決在機(jī)器人計(jì)算過程中對時(shí)間、空間要求較高的問題,本文在傳統(tǒng)A算法基礎(chǔ)上加入逆向的A算法遍歷,將A算法同時(shí)從起始點(diǎn)與目標(biāo)

10、點(diǎn)同時(shí)出發(fā),實(shí)現(xiàn)從目標(biāo)點(diǎn)往目標(biāo)點(diǎn)正向搜索和目標(biāo)點(diǎn)往起始點(diǎn)的反向搜索。傳統(tǒng)的A算法創(chuàng)建2個(gè)表,open表也稱開啟列表,最初只有一個(gè)起始點(diǎn),在后續(xù)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展中會(huì)放入更多的節(jié)點(diǎn),它是一個(gè)待檢查值的集合,close表也稱為關(guān)閉列表,列表中內(nèi)容為存在已經(jīng)檢查過的值的集合。從起始點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展,對該節(jié)點(diǎn)周圍8個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展,判斷8個(gè)方向的節(jié)點(diǎn)在open中是否存在(可通過的點(diǎn))或?yàn)椴豢赏ㄐ械狞c(diǎn),若為不可通行的點(diǎn),則將此點(diǎn)遺棄不做擴(kuò)展。取其他節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拓展,直至close中出現(xiàn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。優(yōu)化的A算法主要思想是將傳統(tǒng)的僅從起始位置出發(fā)尋找最優(yōu)路徑逼近終點(diǎn)優(yōu)化為從起點(diǎn)向終點(diǎn)逼近的同時(shí)從終點(diǎn)向起點(diǎn)也逼近,這樣

11、在一定條件下可以大大加快運(yùn)行速度,提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該算法創(chuàng)建2個(gè)open列表,分別為open_a,open_b,3個(gè)close列表,分別為close_a,close_b,close_c。將起始點(diǎn)Start放入open_a,終點(diǎn)Goal放入open_b;open_a按照正向遍歷將滿足的節(jié)點(diǎn)放入close_a,open_b按照逆向遍歷將滿足的節(jié)點(diǎn)放入close_b,當(dāng)close_a與close_b搜索到的節(jié)點(diǎn)為同一節(jié)點(diǎn)時(shí),則從該節(jié)點(diǎn)出發(fā)分別向起點(diǎn)和終點(diǎn)回溯生成最優(yōu)路徑,并將此路徑放入close_c,close_c為最優(yōu)路徑集合。優(yōu)化的A算法流程圖如圖4所示,close_c表中的路徑即為最優(yōu)路徑,

12、在理想情況下,采用此方式使算法的速度相比與傳統(tǒng)算法將快1倍,保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。優(yōu)化前后的時(shí)間對比如表1所示。表中數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為從接收到指令開始處理到終點(diǎn)朝向店鋪時(shí)記錄的時(shí)間,不同的障礙物的復(fù)雜程度影響產(chǎn)生的效果也不一樣。由表1可知,優(yōu)化后的算法相比于優(yōu)化前的算法,在無障礙環(huán)境下,平均時(shí)間提升了18s左右,有障礙環(huán)境下,平均時(shí)間提升了32s左右,保證了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。 4系統(tǒng)測試 本系統(tǒng)測試場景通過在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬環(huán)境,實(shí)驗(yàn)室長約14m,寬約8m。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部有很多實(shí)驗(yàn)桌模擬商場的店鋪及其他障礙物(包括箱子、椅子等等)。首先,將機(jī)器人放置至模擬商場的該機(jī)器人的起

13、始位置(設(shè)為Start)進(jìn)行建圖,并將此位置作為模擬商場中機(jī)器人放置的起始位置,并設(shè)置好每個(gè)模擬店鋪的對應(yīng)的機(jī)器人的位姿,構(gòu)建已知商鋪位置的地圖及部分對應(yīng)視角如圖5(a)所示。圖5(b)為機(jī)器人在當(dāng)前環(huán)境地圖下的路徑規(guī)劃效果圖,由圖5(b)可知,路徑規(guī)劃會(huì)根據(jù)實(shí)際情況擇優(yōu)選擇最短路徑。用戶通過與機(jī)器人語音交互或用掃描二維碼進(jìn)入大數(shù)據(jù)云服務(wù)器平臺(tái)交互后獲得目標(biāo)店鋪,機(jī)器人從起始位置出發(fā)至目標(biāo)店鋪采用優(yōu)化后的A算法規(guī)劃全局路徑,提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,機(jī)器人在自主移動(dòng)的過程中進(jìn)行局部路徑規(guī)劃來進(jìn)行避障。圖6中先驗(yàn)地圖路徑規(guī)劃可以避開先驗(yàn)地圖中已存在的障礙物,在機(jī)器人遇到臨時(shí)障礙物時(shí),機(jī)器人根據(jù)臨時(shí)障礙

14、物調(diào)整路徑,從而避開障礙物,提高了系統(tǒng)的魯棒性。 5結(jié)束語 本文完成了室內(nèi)導(dǎo)購機(jī)器人地圖構(gòu)建及路徑規(guī)劃及導(dǎo)航的軟件及硬件設(shè)計(jì)。采用激光雷達(dá)及GY85模塊獲取機(jī)器人的環(huán)境及狀態(tài)信息來進(jìn)行建圖,引入A算法并進(jìn)行一定優(yōu)化后進(jìn)行定位并更新機(jī)器人位姿進(jìn)行導(dǎo)航,實(shí)現(xiàn)了購物者通過本系統(tǒng)快速找到自己欲到達(dá)的理想目標(biāo)店鋪。本系統(tǒng)在實(shí)體店中為廣大的購物者提供了方便,解決由于目前工作壓力大,網(wǎng)上購物無法確保質(zhì)量而前往實(shí)體店購買時(shí)無法及時(shí)找到購物者欲到達(dá)的店鋪的問題。 參考文獻(xiàn): [1]伍洲,方彥軍.基于智能路徑規(guī)劃算法的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器

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