基于六足探测机器人的自动避障控制

图 4 混合式控制结构
(1) 向前行走模块 。该模块具有最低优先级 ,在 无任务情况下 ,机器人根据传感器选择无障碍物方向 直线运行 。目的是在全局环境下 ,暂时无任务的机器 人同样保持清醒的意识和一定的机动性 ,避免冲突 。
(2) 趋向目标模块 。完成对机器人各模块进行任 务分配和协调 。当完成特定任务时 ,该模块选择规划 模块 ,此时机器人采用的是基于知识的体系结构 ;当完 成一般任务时 ,该模块选择实时避障模块 ,此时机器人 采用的是基于行为的体系结构 。针对不同的任务 ,机 器人可以采用不同的处理方式 ,提高了系统的可靠性 和反应能力 。
1 六足机器人的步态分析
通过对蟑螂 、蚂蚁等六足动物步行的研究 ,发现典 型的六足动物的行走方式为三角步态 。这种步态在任 意时刻都有 3条腿与地面接触 ,以保持静态平衡 。在 具体实现上是将 3对足分成两组 ,以三角形支架结构 交替前行 ,身体左侧的前 、后足及右侧的中足为一组 , 右侧的前 、后足和左侧的中足为另一组 ,分别组成两个 三角形支架 。当一组三角形支架中所有的足同时提起
(3) 规划目标模块 。主要任务是机器人利用超声 波传感器 、已有地图及通讯方式得到较远处的环境信 息 ,使机器人有足够的时间对环境作出推理判断 ,对路 径作出阶段性规划 。规划结果以子目标的形式输出 。
可视图表示法 ,如图 2所示 。
图 2 可视图
2. 2 用 D ijk stra 算法计算避障路径 将避障路径规划问题利用可视图方式表达后 , 现
在的避障路径规划问题就等价于单源最短路径问题 , 即 :己知图 G = (V, E) ,其成本矩阵为 co st[ n ] [ n ],求 从 V1 = S 点出发至 Vn = g最短路径 。
收稿日期 : 2007 - 06 - 27 作者简介 :魏春莉 (1976 - ) ,女 ,山东济宁人 ,主要从事智能机器人方面的研究 。
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时 ,另一组三角形支架的 3 只足原地不动 ,支撑身体 , 并以其中足为支点 ,前足胫节的肌肉收缩 ,拉动身体向 前 ,后足胫节的肌肉收缩 ,将虫体往前推 。因此 ,身体 略作以中足为支点的转动 ,同时虫体的重心落在另一 组“三角形支架 ”的三足上 ,然后再重复前一组的动 作 ,相互轮换 。周而复始 ,这种行走方式使昆虫可以随 时随地停息下来 ,因为重心总是落在三角支架之内 ,这 就是典型的三足步态行走法 ,其行走轨迹并非是直线 , 而是呈“之 ”字形的曲线前进 。
反方向运动时 ,可以颠倒以上执行过程 ,即提腿不 向前运动 ,而向后运动 。转向时 ,一侧向前运动 ,另一 侧向后运动 ,使机器人绕中心旋转 。慢速转动时 ,两侧 腿同时向前运动 ,但是一侧腿须比另一侧腿移动距离 要小一些 。
图 1 六足机器人步态
2 路径规划
六足机器人路径规划问题在理论上主要存在 3个 子问题 :
行了多次试验与调试。试验结果表明 ,该方法是可行的 ,且适应性强、抗干扰能力好 ,具有良好的可扩展性。
关键词 :六足探测机器人 ;路径规划 ;控制方案 ;控制算法
中图分类号 : TP216 文献标识码 : A
文章编号 : 1001 - 4551 (2008) 01 - 0040 - 04
Con trol of avo id ing obstacles automa tica lly ba sed on six2leg detecting robot W E I Chun2li, L I Q iang
图 5 六足探测机器人整体控制结构
控制法 、机器人的变结构控制 、机器人的自适应控制以 及机器人的智能控制之后认为模糊控制较传统的控制 方法有其优越性 ,可以模拟人的直觉或经验规则进行 控制 ,而不需要建立通常意义下的数学模型 ,且有较好 的鲁棒性 ,对参数变化的适应性强 ,有较强的抗干扰能 力 。模糊控制的基本原理 ,如图 6所示 。
(1) 环境表示问题 :指环境中障碍物的表示和自 由空间的表示 。合理的环境表示才能有利于规划中搜 索量的减少 ,才能有利于时空开销的减少 。
(2) 寻空间问题 :在某个指定区域 R中 ,确定物体 A 的安全位置 ,使它不与己有的其他物体 B j ( j = 1, 2, …, m ) 相碰 。
( 3) 寻路径问题 :在某个指定区域 R中 ,确定物体 A 从初始位置移动到目标位置的安全路径 , 使得移动 过程中不发生 A 与 B 的碰撞 。一系列安全位置就可以 构成安全路径 。
基于六足探测机器人的自动避障控制
魏春莉 ,李 强
(内蒙古工业大学 机械工程学院 ,内蒙古 呼和浩特 010051)
摘 要 :为了实现六足机器人在探测领域中自动避障的目的 ,通过分析主要论述了六足机器人的步态分析、
路径规划、控制方案和算法。该系统采用 PBASIC语言编程开发 ,并将该系统在自行装配的六足机器人上进
多有效的求解方法 。这些方法包括几何法 、单元分解 法 、人工势场法和数学分析法等引申出来的其他方法 。 路径规划领域中的很多问题都可以用这 4种基本方法 来解决 。它们也不是互相排斥的 ,而且常常结合起来共 同实现路径规划 。
在比较了上述 4种方法后选择几何法中的可视图 法 。Vo 是所有障碍物的顶点 , 因为图中相邻的顶点能 相互看到 , G (V, E) 称为可视图 。然后采用某种方法搜 索从起始点 s到目标点 g的最优路径 。规划最优路径的 问题就转化为“寻求从起始点到目标点且经过这些可 视直线的最短距离 ”问题 。可视图方法最大的特点是 障碍物由多边形 (二维空间 ) 或多面体 (三维空间 ) 构 成的集合 、起始点 s及目标点 g用直线组合相连 , 同时 要求三者 (即障碍物的顶点 、起始点 s及目标点 g) 之 间连线均不能穿越障碍物 , 即直线是“可视的 ”, 给图 中的边赋权值 ,构造图 (V, E) ,结点集 V = Vo U { s, g} , E为所有弧段 ( Pi Pj ) , 即边集合 , 其中连接 G中第 i 和第 i个结点的线段与任何障碍物均不相交 。
通过以上分析 ,设计出 β = 0. 5 的六足机器人步 态 ,如图 1所示 (图中黑点为支撑腿 ,其余为悬空腿 ) 。 具体步骤如下 : ①机器人开始运动 , 1, 3, 5腿准备向前 摆动 , 2, 4, 6腿处于支撑状态 ,支撑机器人本体 ,确保机 器人重心在这三腿所构成的三角形内部 ,使机器人处 于稳定状态不至于摔倒 ; ②摆动 1, 3, 5 腿 ,向前跨步 , 机器人在支撑腿 2, 4, 6 的驱动下向前运动 ; ③支撑腿 一边支撑机器人本体 ,一边驱动机器人使其向前移动 半个步长 ; ④在机器人移动到位时 ,摆动腿 1, 3, 5 放 下 ,变成支撑态 ,使机器人的重心变成在这三腿所构成 的三角形内部 ,原支撑腿 2, 4, 6 抬起 ,准备向前摆动 ; ⑤摆动 2, 4, 6腿 ,向前跨步 ,机器人在支撑腿 1, 3, 5的
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第 1期
魏春莉 ,等 :基于六足探测机器人的自动避障控制
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驱动下向前运动 ;支撑腿一边支撑机器人本体 ,一边驱 动机器人使其向前移动一个步长 ;如此不断重复以上 步骤 ,六足机器人就会实现跨步前行 。
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第 25卷
3 控制体系的设计和控制方案
3. 1 控制体系 本研究在比较了基于行为的体系结构、基于知识的
体系结构和混合式控制结构之后 ,选择混合式控制结 构 [1, 2] ,将计划作为一种行为 ,与实时避障行为间采取并 行处理方式。相对应地 ,将传感器检测区域分为避障区 和规划区 ,如果在避障区有障碍物 ,则由应激避障模块采 取相应的避障行为 ;如果在规划区有障碍物 ,则由规划模 块产生相应的输出 ,由于规划模块最终输出子目标 ,使此 结构的规划模块具有很好的扩展性 [3, 4] ,如图 4所示。
解决路径规划问题的关键在于设计一种恰当的环 境模型表示方法 ,即一种数据结构 。该结构能反映出机 器人在某位置上发生碰撞的可能性 。然后 ,按照模型中 的连通性构造与之对应的可连通图 。该连通图仅抽取 环境模型的连通性 ,忽略掉与路径规划不相关的信息 , 避免因无关信息的引入使规划复杂化 , 这种连通图构 成了问题状态空间 。在该状态空间内利用搜索技术进 行搜索 ,便求解出一条通路 。将通路上的节点转化为实 际模型中的表示形式 (如坐标点的序列 ) , 便得到了机 器人的无碰路径 。
0 前 言
目前在机器人研究领域 ,所涉及的热点问题很多 , 例如 :运动和动力学分析 、地图构建 、自定位 、路径规 划 、控制方法和通信技术 。这 6 个方向都是目前移动 机器人的研究热点 ,每一个方向都可以展开成一个很 大的研究领域 ,但是大都建立在轮式机器人之上 。
经查阅大量国内资料之后发现 ,对多足步行机器 人的避障和控制的研究并不多见 。本研究就此问题作 了一些分析探讨 ,其主导思想是为二自由度六足机器 人安装视觉系统 ,并应用于探测领域进行路径探测 ,还 对避障规划和控制方案进行了设计 。
( College of M echan ica l Eng ineering, InnerM ongolia U n iversity of Technology, Hohhot 010051, Ch ina) Abstract: W ith the purpose of realization of the six2leg robot that used in detecting fields avoid obstacles of the path automatical2 ly, the six2leg robotπs walking status analyse, path p lan, control mode and mathematical algorithm were mainly talked about. The PBASIC was used as the software p latform and adjusted in six2leg walking robots during experiments, the result show that the sys2 tem is feasible, good adap tability and anti2disturbance capability and extensibility. Key words: six2leg robot; path p lan; control mode; mathematical algorithm
第 25卷第 1期 2008年 1月
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机 电 工 程
M ECHAN ICAL & ELECTR ICAL ENGINEER ING MAGAZINE
Vol. 25 No. 1 Jan. 2008
算法流程图 ,如图 3所示 。
2. 1 有障碍物的环境表示和规划方法
合理的环境表示有利于建立规划方法和选择合适 的搜索算法 ,最终实现较少的时间开销而规划出较为 满意的路径 。为了解决路径规划问题 ,人们己探索出很
图 3 路径规划流程图
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