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    基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃

    2016-09-20 02:34:28田子建高學(xué)浩
    工礦自動(dòng)化 2016年9期
    關(guān)鍵詞:勢(shì)場(chǎng)救災(zāi)障礙物

    田子建, 高學(xué)浩

    (中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院, 北京 100083)

    ?

    實(shí)驗(yàn)研究

    基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃

    田子建,高學(xué)浩

    (中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院, 北京100083)

    針對(duì)礦井障礙物復(fù)雜多變、救災(zāi)機(jī)器人采用傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法進(jìn)行路徑規(guī)劃易陷入局部極小點(diǎn)的問題,提出一種基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。該方法通過在引力場(chǎng)中加入擾動(dòng)場(chǎng)來改變引力場(chǎng)函數(shù),使救災(zāi)機(jī)器人在陷入局部極小點(diǎn)時(shí)自主走出局部極小點(diǎn);結(jié)合障礙填充法,通過對(duì)凹障礙物進(jìn)行虛擬填充,形成新的障礙物并產(chǎn)生相應(yīng)的斥力場(chǎng)函數(shù),避免救災(zāi)機(jī)器人再次陷入局部極小點(diǎn)。仿真及測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性及有效性。

    救災(zāi)機(jī)器人; 路徑規(guī)劃; 人工勢(shì)場(chǎng)法; 擾動(dòng)場(chǎng); 勢(shì)場(chǎng)函數(shù); 障礙物填充法

    網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1012.009.html

    0 引言

    煤礦井下發(fā)生礦難時(shí),采用機(jī)器人進(jìn)行探測(cè)和救援是可靠、有效的途徑,針對(duì)井下機(jī)器人供電、防爆、機(jī)器人步履機(jī)械柔性等關(guān)鍵問題的研究,通過科研人員長(zhǎng)期不懈的努力,已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步[1-2]。煤礦井下環(huán)境特殊,巷道相互交叉,空間狹小封閉,機(jī)器人路徑規(guī)劃一直是制約機(jī)器人在煤礦井下應(yīng)用的難題。救災(zāi)機(jī)器人作為一種移動(dòng)機(jī)器人,其路徑規(guī)劃的水平一定程度上決定了救災(zāi)效率。礦井救災(zāi)機(jī)器人的任務(wù)是在具有一定動(dòng)態(tài)和靜態(tài)障礙物的未知環(huán)境中,尋找一條沒有碰撞的最佳路徑,同時(shí)要實(shí)現(xiàn)最短路徑、最短時(shí)間、最低能耗[3-4]等相應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化。人工勢(shì)場(chǎng)法是傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法中較為成熟且簡(jiǎn)潔高效的算法,其主要思路是通過目標(biāo)位置對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生引力,障礙物對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生斥力,以及機(jī)器人之間產(chǎn)生相互作用力,形成一個(gè)智能的人工勢(shì)場(chǎng),對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)的路徑規(guī)劃[5-7]。但傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)法存在局部極小點(diǎn)問題,當(dāng)障礙物在目標(biāo)位置附近時(shí),還會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人在目標(biāo)位置周圍震蕩、無法到達(dá)目標(biāo)位置的情況。

    簡(jiǎn)單地用傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法很難完成路徑規(guī)劃任務(wù),因此需要對(duì)傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法進(jìn)行改進(jìn),或與其他方法結(jié)合來避免路徑規(guī)劃失敗。參考文獻(xiàn)[8]提出了Laplace勢(shì)場(chǎng)法,其基本著眼點(diǎn)是通過數(shù)學(xué)上合理地定義勢(shì)場(chǎng)方程,保證勢(shì)場(chǎng)中不存在局部極值,但沒有考察路徑是否最優(yōu)。參考文獻(xiàn)[9]提出了基于Fellow_wall的路徑規(guī)劃技術(shù),可以幫助機(jī)器人逃離局部極小點(diǎn),但算法收斂速度慢,魯棒性差,需要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間來完成路徑規(guī)劃,且無法選擇最優(yōu)路徑。參考文獻(xiàn)[10]提出了基于重力鏈方法來解決局部極小點(diǎn)問題,將起始點(diǎn)與目標(biāo)位置用虛擬的橡皮筋連接起來,通過橡皮筋來代替人工勢(shì)場(chǎng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角,解決了局部極小點(diǎn)和目標(biāo)不可達(dá)的問題,但缺乏實(shí)際應(yīng)用條件,難以實(shí)現(xiàn)。

    本文針對(duì)傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法存在的局部極小點(diǎn)問題,提出了擾動(dòng)場(chǎng)概念,通過在引力場(chǎng)中增加擾動(dòng)場(chǎng),使機(jī)器人陷入局部極小點(diǎn)時(shí)能自主逃離;結(jié)合障礙物填充法[11],通過填充凹障礙物,形成新的斥力場(chǎng)函數(shù),使機(jī)器人在逃離局部極小點(diǎn)的同時(shí),避免再次陷入局部極小點(diǎn),重新規(guī)劃?rùn)C(jī)器人路徑,最終完成救災(zāi)任務(wù)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法能夠很好地解決礦井救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃中的局部極小點(diǎn)問題。

    1 傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法在礦井巷道中應(yīng)用存在的問題

    傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)法是由Khabit[12]在1986年提出的一種虛擬牛頓引力方法,起初是為了使機(jī)器人在抓取物體時(shí),其手臂可以不觸及工作臺(tái),后來運(yùn)用到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)避障中。其主要思想是將機(jī)器人、目標(biāo)位置和障礙物簡(jiǎn)化成點(diǎn),目標(biāo)位置對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生引力,障礙物對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生斥力,在整個(gè)環(huán)境中,通過合力的作用控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng),進(jìn)行路徑規(guī)劃。傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)定義如下。

    假設(shè)機(jī)器人的位置X=(x,y),則目標(biāo)位置與機(jī)器人之間的引力場(chǎng)為

    (1)

    式中:Katt為引力場(chǎng)常數(shù);Xg為機(jī)器人的目標(biāo)位置。

    定義引力場(chǎng)的負(fù)梯度為

    (2)

    定義斥力場(chǎng)為

    (3)

    式中:Krep為斥力場(chǎng)常數(shù);X0為障礙物的位置;X-X0為機(jī)器人到障礙物的距離;ρ0為障礙物產(chǎn)生的斥力場(chǎng)影響距離范圍。

    定義斥力場(chǎng)的負(fù)梯度為

    Frep(X)=-gradUrep(X)=

    (4)

    則機(jī)器人在人工勢(shì)場(chǎng)中的總勢(shì)場(chǎng)為

    (5)

    人工勢(shì)場(chǎng)對(duì)機(jī)器人的作用合力為

    (6)

    傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法原理簡(jiǎn)單,算法簡(jiǎn)潔,易于實(shí)現(xiàn),適用于較廣闊的地面場(chǎng)所,但在煤礦井下狹小區(qū)域[13-17]應(yīng)用時(shí),由于機(jī)器人大部分是沿巷道直線行走,很容易產(chǎn)生局部極小點(diǎn)和震蕩等問題。如圖1(a)所示,當(dāng)障礙物、機(jī)器人和目標(biāo)位置在同一條直線上時(shí),機(jī)器人接近目標(biāo)位置,引力變小,斥力變大,機(jī)器人會(huì)在某段路徑上產(chǎn)生震蕩,導(dǎo)致目標(biāo)位置不可達(dá)。如圖1(b)所示,當(dāng)障礙物斥力與引力的合力為0時(shí),機(jī)器人將陷入局部極小點(diǎn),此時(shí)還沒有到達(dá)目標(biāo)位置,最終導(dǎo)致避障失敗。為了解決該問題,本文提出基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃。

    (a)機(jī)器人震蕩(b)機(jī)器人陷入局部極小點(diǎn)

    圖1傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法在井下應(yīng)用存在的問題

    2 基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃

    2.1擾動(dòng)場(chǎng)的引入

    當(dāng)機(jī)器人在路徑規(guī)劃中陷入局部極小點(diǎn)時(shí),增加擾動(dòng)場(chǎng)來使機(jī)器人逃離局部極小點(diǎn)。定義擾動(dòng)場(chǎng)為

    (7)

    式中:Kdis為擾動(dòng)場(chǎng)常數(shù);ρ(X,Xg)為機(jī)器人與目標(biāo)位置的距離;ρa(bǔ)為機(jī)器人是否到達(dá)目標(biāo)位置的評(píng)判距離。

    引入擾動(dòng)場(chǎng)后,當(dāng)機(jī)器人陷入局部極小點(diǎn)時(shí),環(huán)境模型的總勢(shì)場(chǎng)為

    Utotal(X)=Uatt(X)+Urep(X)+Udis(X)

    (8)

    救災(zāi)機(jī)器人進(jìn)行避障時(shí),在每個(gè)采樣周期探測(cè)其可以到達(dá)的范圍,尋找整個(gè)可探范圍內(nèi)的勢(shì)場(chǎng)最低點(diǎn),將該點(diǎn)稱為子目標(biāo)位置。采用矢量法對(duì)機(jī)器人所受引力和斥力進(jìn)行合成,判斷機(jī)器人是否處于局部極小點(diǎn),如果是,則在總勢(shì)場(chǎng)中加入擾動(dòng)場(chǎng)。

    2.2基于障礙物填充法的機(jī)器人路徑規(guī)劃

    [11]提出了一種通過填充凹障礙物來避免局部極小點(diǎn)的方法。在現(xiàn)實(shí)避障過程中,機(jī)器人一般不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)凹障礙物,發(fā)現(xiàn)時(shí)可能已經(jīng)陷入局部極小點(diǎn)中,再通過填充障礙物并不一定能走出局部極小點(diǎn)。對(duì)于井下救災(zāi)機(jī)器人來說,巷道本身并不是障礙物,而移動(dòng)救生艙、礦車、機(jī)械設(shè)備等是需要避開的障礙物。圖2展示了3種在井下巷道中的障礙物。當(dāng)機(jī)器人碰到類似圖2(a)或圖2(b)所示的3段或2段凹障礙物時(shí),很難及時(shí)判別前方是否存在局部極小點(diǎn),即使運(yùn)用了障礙物填充法,也未必能逃出局部極小點(diǎn)。當(dāng)救災(zāi)機(jī)器人遇到圖2(c)所示的普通障礙物時(shí),不會(huì)陷入局部極小點(diǎn)。

    救災(zāi)機(jī)器人探測(cè)凹障礙物過程如圖3所示。救災(zāi)機(jī)器人裝有探測(cè)裝置,探測(cè)到障礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的探測(cè)角α。圖3(a)中,救災(zāi)機(jī)器人探測(cè)到前方為2個(gè)障礙物,此時(shí)探測(cè)角α<180°。當(dāng)救災(zāi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到圖3(b)位置時(shí),已陷入凹障礙物中,探測(cè)角α>180°,機(jī)器人探測(cè)到凹障礙物的另一端,通過探測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到該障礙物與之前探測(cè)的障礙物相連,從而判斷為同一障礙物,但此時(shí)機(jī)器人已逐步陷入局部極小點(diǎn),導(dǎo)致目標(biāo)點(diǎn)不可達(dá)。

    考慮到煤礦井下障礙物多變的情況,本文將擾動(dòng)場(chǎng)和參考文獻(xiàn)[11]提出的凹障礙物填充法相結(jié)合,提出一種新的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。該方法主要思想:當(dāng)救災(zāi)機(jī)器人陷入局部極小點(diǎn)后,通過擾動(dòng)場(chǎng)使機(jī)器人逃離局部極小點(diǎn),并運(yùn)用凹障礙物填充法來填充產(chǎn)生局部極小點(diǎn)的障礙物,構(gòu)造填充后的障礙物斥力函數(shù),使救災(zāi)機(jī)器人在逃離局部極小點(diǎn)的同時(shí),避免再次陷入局部極小點(diǎn),如圖4所示。

    (a) 3段凹障礙物

    (b) 2段凹障礙物

    (c) 普通障礙物

    (a)機(jī)器人未進(jìn)入凹障礙物(b)機(jī)器人進(jìn)入凹障礙物

    圖3救災(zāi)機(jī)器人探測(cè)凹障礙物過程

    圖4 基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法

    采用該救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法后,可能產(chǎn)生局部極小點(diǎn)的區(qū)域被填充,形成一個(gè)面積更大的障礙物。被填充區(qū)域的斥力場(chǎng)為

    (9)

    式中:klocal為填充區(qū)域斥力場(chǎng)比例系數(shù);x-xlocal為救災(zāi)機(jī)器人退出局部極小點(diǎn)時(shí)與局部極小點(diǎn)的距離;ρl為填充區(qū)域的影響范圍。

    完成凹障礙物填充后,填充后的勢(shì)場(chǎng)強(qiáng)度為

    (10)

    當(dāng)機(jī)器人完全退出可能產(chǎn)生局部極小點(diǎn)的凹障礙物區(qū)域,即凹障礙物區(qū)域被填充完畢時(shí),機(jī)器人受到的總勢(shì)場(chǎng)為

    (11)

    3 仿真研究

    為了驗(yàn)證基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法的性能,選用2種3段凹障礙物,在Matlab7.0.4環(huán)境下,分別對(duì)機(jī)器人路徑軌跡和算法的空間復(fù)雜度進(jìn)行了仿真。

    3.1救災(zāi)機(jī)器人運(yùn)行軌跡

    首先采用增加擾動(dòng)場(chǎng)的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法(簡(jiǎn)稱擾動(dòng)場(chǎng)法),對(duì)救災(zāi)機(jī)器人在障礙物a和障礙物b中的路徑規(guī)劃進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖5所示。圖5(a)中目標(biāo)位置坐標(biāo)為(0.45,0.2),圖5(b)中目標(biāo)位置坐標(biāo)為(0.45,0.05)。圖5(a)中,救災(zāi)機(jī)器人陷入局部極小點(diǎn)后,機(jī)器人受到的總勢(shì)場(chǎng)為0,但并未到達(dá)目標(biāo)位置,此時(shí)在勢(shì)場(chǎng)函數(shù)中加入擾動(dòng)場(chǎng),并重新規(guī)劃路徑。經(jīng)過2次路徑重新規(guī)劃,機(jī)器人并沒有逃離局部極小點(diǎn),而是陷入了另一個(gè)局部極小點(diǎn),最終沒能走出凹障礙物區(qū)域。圖5(b)中,救災(zāi)機(jī)器人經(jīng)歷了2次局部極小點(diǎn),最終走出了局部極小點(diǎn),成功避開了凹障礙物??煽闯鰣D5(a)中救災(zāi)機(jī)器人陷入局部極小點(diǎn)時(shí),機(jī)器人與目標(biāo)位置的距離遠(yuǎn)小于圖5(b)中機(jī)器人與目標(biāo)位置的距離,即圖5(b)情況下的值更大,擾動(dòng)場(chǎng)產(chǎn)生的斥力更大,更容易偏離原來的軌跡,便于重新規(guī)劃路徑。但圖5(b)中機(jī)器人避障花費(fèi)了更多的時(shí)間和路程,增加了算法難度,導(dǎo)致算法可靠性下降。

    接下來采用基于擾動(dòng)場(chǎng)和障礙物填充法的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法(簡(jiǎn)稱擾動(dòng)場(chǎng)結(jié)合填充法),對(duì)救災(zāi)機(jī)器人在障礙物a的路徑規(guī)劃進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖6所示。目標(biāo)位置坐標(biāo)為(0.45,0.05)??煽闯霎?dāng)救災(zāi)機(jī)器人陷入局部極小點(diǎn)時(shí),擾動(dòng)場(chǎng)結(jié)合填充法通過擾動(dòng)場(chǎng)使機(jī)器人逃離局部極小點(diǎn);由于填充了凹障礙物,勢(shì)場(chǎng)函數(shù)中斥力場(chǎng)增大,使機(jī)器人的軌跡更為陡峭,且隨著填充面積的增大,機(jī)器人逐漸逃離凹障礙物,重新規(guī)劃路徑后很快到達(dá)了目標(biāo)位置。

    (a) 障礙物a

    (b) 障礙物b

    圖6 基于擾動(dòng)場(chǎng)結(jié)合填充法的救災(zāi)機(jī)器人運(yùn)行軌跡

    3.2算法的空間復(fù)雜度

    在全屬性運(yùn)行狀態(tài)下,對(duì)擾動(dòng)場(chǎng)法和擾動(dòng)場(chǎng)結(jié)合填充法進(jìn)行空間復(fù)雜度對(duì)比,以獲得算法的運(yùn)行時(shí)間、算法運(yùn)行時(shí)內(nèi)存占用率等。仿真結(jié)果如圖7所示。可看出2種算法在樣本數(shù)不大于500 000時(shí),算法運(yùn)行時(shí)間和系統(tǒng)內(nèi)存占用率差別不大。隨著樣本數(shù)量的增加,擾動(dòng)場(chǎng)結(jié)合填充法在運(yùn)行時(shí)間和系統(tǒng)內(nèi)存占用率上體現(xiàn)出很大優(yōu)勢(shì):當(dāng)仿真樣本數(shù)目一定時(shí),擾動(dòng)場(chǎng)結(jié)合填充法的算法時(shí)間比單一的擾動(dòng)場(chǎng)法少很多;擾動(dòng)場(chǎng)法的內(nèi)存使用率逼近59.5%,而擾動(dòng)場(chǎng)結(jié)合填充法的內(nèi)存使用率逼近43.5%,后者內(nèi)存占用率更低。

    (a) 運(yùn)行時(shí)間

    (b) 系統(tǒng)內(nèi)存占用率

    4 實(shí)驗(yàn)研究

    采用ZY08-C-G型避障小車,結(jié)合VisualC++編程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬避障實(shí)驗(yàn)。避障小車運(yùn)行流程如圖8所示。

    圖8 避障小車運(yùn)行流程

    現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示??煽闯鲂≤嚭芎玫赝瓿闪吮苷先蝿?wù),并最終到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)位置,驗(yàn)證了基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法的可行性和有效性。

    圖9 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    5 結(jié)語

    基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法在救災(zāi)機(jī)器人陷入井下凹障礙物的局部極小點(diǎn)時(shí),通過在勢(shì)場(chǎng)函數(shù)中增加擾動(dòng)場(chǎng),能夠使救災(zāi)機(jī)器人成功逃離局部極小點(diǎn);結(jié)合障礙物填充法形成新的斥力場(chǎng)函數(shù),使救災(zāi)機(jī)器人重新規(guī)劃路徑,避免再次陷入同一障礙物的其他局部極小點(diǎn)。仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

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    Path planning of rescuing robot based on improved artificial potential field method

    TIAN Zijian,GAO Xuehao

    (SchoolofMechanicalElectronicandInformationEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

    Foraproblemthatrescuingrobotwaseasilystackedintolocalminimalpointbyusingtraditionalartificialpotentialfieldmethodtoplanpathincoalmineundergroundwithcomplexobstacles,apathplanningmethodofrescuingrobotbasedonimprovedartificialpotentialfieldmethodwasproposed.Inthemethod,perturbationfieldisaddedintogravitationfieldtochangegravitationfieldfunction,soastomakerescuingrobotgooutoflocalminimumpointautonomouslywhentherobotstacksintothelocalminimumpoint.Meanwhile,obstacleisfilledvirtuallythroughanobstaclefillingmethod,thusanewobstacleisformedandacorrespondingrepulsivepotentialfieldfunctionisgeneratedtoavoidrescuingrobottostackintolocalminimalpointagain.Thesimulationandtestresultsverifyfeasibilityandvalidityofthemethod.

    rescuingrobot;pathplanning;artificialpotentialfieldmethod;perturbationfield;potentialfieldfunction;obstaclefillingmethod

    1671-251X(2016)09-0037-06DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.009

    2016-03-25;

    2016-07-19;責(zé)任編輯:李明。

    國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51134024);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1261125)。

    田子建(1964-),男,湖南望城人,教授,博士,主要從事煤礦井下安全檢測(cè)方面的研究工作,E-mail:tianzj0726@126.com。

    TD67

    A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-09-02 10:12

    田子建,高學(xué)浩.基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的救災(zāi)機(jī)器人路徑規(guī)劃[J].工礦自動(dòng)化,2016,42(9):37-42.

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