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)(FID)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(shí)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OS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OS(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。21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OS進(jìn)行開發(fā)，OS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。22激光雷達(dá)模塊思嵐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。31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、所有商鋪商鋪位置信息已知時(shí)，所需地圖構(gòu)建完成。32A全局路徑規(guī)劃算法的優(yōu)化321A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)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。322A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)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，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傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(9):93962黃超，林錦國，李俊導(dǎo)購機(jī)器人導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(16):39414王曉華，要鵬超，廣夏桐，等基于OS的移動(dòng)機(jī)器人語音控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J傳感器與微系統(tǒng)，2019，38(5):100103.6陳豪，李勇，羅靖迪基于改進(jìn)A算法優(yōu)化的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃研究J自動(dòng)化與儀器儀表，2018(12):147鐘志峰，易明星，陳智軍，等基于改進(jìn)A算法的導(dǎo)購路徑規(guī)劃方法J計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2019，55(5):1291348郭江商場導(dǎo)購機(jī)器人的路徑規(guī)劃與交互式導(dǎo)航D成都:西南科技大學(xué)，2017