鄒風(fēng)山1,2，趙彬1,3
（1.沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016；3.東北財(cái)經(jīng)大學(xué) 工商管理學(xué)院，遼寧 大連 116025）
摘要：針對(duì)服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航和調(diào)度系統(tǒng)問(wèn)題進(jìn)行了研究。首先根據(jù)事先確定的任務(wù)進(jìn)行自主全局路徑規(guī)劃，移動(dòng)機(jī)器人在執(zhí)行路徑跟蹤時(shí)，還要不斷感知周圍的局部環(huán)境信息；其次，移動(dòng)機(jī)器人不僅要避開(kāi)附近的移動(dòng)障礙物，而且要進(jìn)行局部規(guī)劃或局部路徑修正；然后，完成了地圖創(chuàng)建、機(jī)器人全局定位、規(guī)劃局部路徑并控制車體運(yùn)動(dòng)；最后，介紹了服務(wù)機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)終端軟件。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)合，完成通過(guò)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的功能。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人；地圖創(chuàng)建；定位；調(diào)度系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TP242.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.017
引用格式：鄒風(fēng)山，趙彬.服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航與調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（7）：56-58，62.
0引言
*基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2014ZX02103）服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人行業(yè)的主打產(chǎn)品系列之一，其適用范圍越來(lái)越廣，在酒店引領(lǐng)、商場(chǎng)導(dǎo)購(gòu)、餐廳送餐、展示講解等領(lǐng)域已成熟應(yīng)用［1］。智能服務(wù)機(jī)器人在我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展中起著關(guān)鍵的作用，將機(jī)器人技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合，面向家庭的智能服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用程序?qū)⒊蔀槲磥?lái)數(shù)字家庭的關(guān)鍵角色。移動(dòng)機(jī)器人心臟的中央處理單元RC接收多個(gè)傳感器融合信息，使機(jī)器人能夠理解它們的周圍和外部環(huán)境信息［2］。利用這一方法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制決策，找到最優(yōu)路徑。由于傳感器和控制器的作用,一方面，移動(dòng)機(jī)器人在沒(méi)有人工干預(yù)的條件下,完成自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)自主避礙；另一方面，可以采取多種控制方式實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)運(yùn)行。如操作者通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)發(fā)送控制命令，使得機(jī)器人能夠理解人類語(yǔ)言［3］。同時(shí)，機(jī)器人還可以根據(jù)聲音命令，實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，遠(yuǎn)程服務(wù)使得機(jī)器人不僅可以從遠(yuǎn)程位置環(huán)境中獲取信息，還可以幫助運(yùn)動(dòng)和控制決策等［4］。
本文以自主移動(dòng)機(jī)器人可以模擬人類自我學(xué)習(xí)的過(guò)程為目的，將其功能研發(fā)分為理解自己的狀態(tài)和外部環(huán)境信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制決策、避障、找到最優(yōu)路徑；在柵格地圖表征環(huán)境下，采用Wavefront方法進(jìn)行路徑規(guī)劃、自主移動(dòng)和軌跡跟蹤。對(duì)服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器功能，完成系統(tǒng)內(nèi)機(jī)器人的整體調(diào)度規(guī)劃和命令下發(fā)。實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)PC終端軟件，完成PC端的機(jī)器人調(diào)度申請(qǐng)功能。打破國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在智能服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)封鎖，提高我國(guó)智能服務(wù)機(jī)器人的技術(shù)水平，促進(jìn)我國(guó)智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
1移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航定位
本系統(tǒng)將利用通用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)濾波，有效提取信息中的有效部分，降低數(shù)據(jù)量［5］。同時(shí)，采用通用預(yù)處理方法可以降低定位與地圖創(chuàng)建系統(tǒng)對(duì)環(huán)境先驗(yàn)知識(shí)的要求，極大提高系統(tǒng)可靠性和廣泛適用性。
1.1可靠環(huán)境感知方法
如圖1所示，環(huán)境感知是地圖創(chuàng)建的基礎(chǔ)。二維激光雷達(dá)對(duì)環(huán)境離散化程度高，受遮蔽等影響大。面向定位的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)通用特征提取方法利用環(huán)境的先驗(yàn)知識(shí)可以很容易地解決這些問(wèn)題，提高特征提取的精度，但在環(huán)境不符合先驗(yàn)知識(shí)的情況下，將產(chǎn)生大量不穩(wěn)定的特征，嚴(yán)重影響定位系統(tǒng)的魯棒性。
為了解決這些問(wèn)題，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分割的基礎(chǔ)上提取這些離散點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)張量，如圖2所示。這些信息穩(wěn)定且可以廣泛地應(yīng)用于多邊形、弧形及叢狀物體（Blob）的激光雷達(dá)觀測(cè)之中。通過(guò)解決噪聲問(wèn)題、離散化問(wèn)題和結(jié)構(gòu)張量正規(guī)化（Normalization）問(wèn)題，可以成功地對(duì)二維激光雷達(dá)進(jìn)行特征提取，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種方法提取的特征比基于環(huán)境先驗(yàn)知識(shí)所提取的特征更加穩(wěn)定、精確。
1.2粒子濾波
利用粒子濾波思想，用粒子來(lái)表示機(jī)器人的位姿，在整個(gè)地圖分布粒子，利用觀測(cè)計(jì)算粒子的權(quán)值，對(duì)權(quán)值進(jìn)行歸一化處理，根據(jù)粒子權(quán)值進(jìn)行重采樣。重采樣就是舍棄權(quán)值小的粒子，讓權(quán)值大的粒子分裂出新的粒子，然后再重新計(jì)算粒子的權(quán)值，如此迭代，直到收斂。
在地圖創(chuàng)建后（或在已知環(huán)境中），利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的方法，可以對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行定位。這個(gè)問(wèn)題稱作全局定位問(wèn)題。由于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)具有的指數(shù)復(fù)雜度，全局定位問(wèn)題被看做是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法要求移動(dòng)機(jī)器人對(duì)位置先驗(yàn)信息具有很高的確定度。但是，在一般的定位應(yīng)用中，這是難以滿足的。同樣地，利用基于后驗(yàn)概率的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法，可以在位置先驗(yàn)信息不確定度較差的情況下，準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)果。
1.3移動(dòng)機(jī)器人定位與地圖匹配
地圖匹配與合并可以將創(chuàng)建的局部地圖合并入全局地圖中，或?qū)⒍鄠€(gè)局部地圖合并創(chuàng)建全局地圖。地圖匹配與合并的核心是計(jì)算正確的地圖轉(zhuǎn)移量。在二維環(huán)境中，這個(gè)地圖轉(zhuǎn)移量包含在X和Y方向的平移距離以及一個(gè)旋轉(zhuǎn)角。地圖轉(zhuǎn)移量的計(jì)算需要找到地圖之間的相似目標(biāo)，進(jìn)而驗(yàn)證地圖根據(jù)該相似目標(biāo)進(jìn)行合并后的似然函數(shù)。圖3給出了一個(gè)地圖合并的例子。地圖合并的核心在于有效特征的提取與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。
2移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃
要研究機(jī)器人路徑規(guī)劃首先構(gòu)建一張地圖，取定位點(diǎn)，通過(guò)PAD操作創(chuàng)建如圖4所示的地圖。地圖創(chuàng)建完成后，手動(dòng)遙控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，并使用PC端軟件的地圖顯示功能實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行位置和地圖上顯示位置是否一致。
2.1移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃
將全局路徑規(guī)劃方法與局部路徑規(guī)劃方法相結(jié)合，將基于反應(yīng)的行為規(guī)劃與基于慎思的行為規(guī)劃相結(jié)合，解決路徑規(guī)劃算法的合理性、完備性、最優(yōu)性、實(shí)時(shí)性以及對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性問(wèn)題，同時(shí)保證機(jī)器人在動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境下，能夠在滿足自身運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的前提下，以最短路徑代價(jià)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。
2.2Wavefront法
由于室內(nèi)環(huán)境規(guī)模較小，環(huán)境內(nèi)障礙物相對(duì)較多，一般室內(nèi)環(huán)境都采用柵格地圖或拓?fù)涠攘康貓D標(biāo)示。本系統(tǒng)擬采用柵格地圖表征環(huán)境。在柵格地圖中，采用Wavefront方法進(jìn)行路徑規(guī)劃是一種簡(jiǎn)潔、可靠的選擇。Wavefront方法將地圖看做一個(gè)可導(dǎo)熱的物體，環(huán)境中的障礙物為熱絕緣體；出發(fā)點(diǎn)被看做熱源，熱量從熱源擴(kuò)散出去。當(dāng)熱量到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，熱量停止擴(kuò)散，同時(shí)產(chǎn)生有效路徑。利用這種方法，可以確保有效路徑的探測(cè)率達(dá)到100%，同時(shí)，可以根據(jù)應(yīng)用需求，在安全性和能量效率之間進(jìn)行平衡，產(chǎn)生定義的最優(yōu)路徑。然而，由于計(jì)算復(fù)雜度的原因，Wavefront方法不適用于大規(guī)模環(huán)境之中。
3機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)
3.1服務(wù)機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)
圖5基于ICE中間件的分布式軟件系統(tǒng)多個(gè)機(jī)器人能夠協(xié)調(diào)工作是服務(wù)機(jī)器人提高自身應(yīng)用價(jià)值、推廣市場(chǎng)和提高用戶體驗(yàn)的必備功能。因此需要一套調(diào)度系統(tǒng)，在多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和調(diào)度，使機(jī)器人能夠高效地配合完成較為復(fù)雜的任務(wù)。圖5所示為基于ICE中間件的分布式軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)由以下模塊構(gòu)成：PC、移動(dòng)終端，其作為任務(wù)下發(fā)構(gòu)件；調(diào)度服務(wù)器，其作為任務(wù)處理、路徑規(guī)劃構(gòu)件；機(jī)器人，作為任務(wù)執(zhí)行構(gòu)件。
3.2系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)包括：機(jī)器人狀態(tài)信息采集和處理(位姿、運(yùn)行狀態(tài)、電量)；地圖管理功能(地圖編輯、下載、上傳、派發(fā)、切換)；任務(wù)管理功能(任務(wù)生成、分解、排序、下發(fā))；路徑規(guī)劃功能(靜態(tài)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、二次規(guī)劃)；充電管理功能(低電量充電、空閑充電、充電站管理)；日志記錄功能(任務(wù)日志、調(diào)度日志)。
3.3規(guī)劃策略
規(guī)劃策略：基于關(guān)鍵點(diǎn)的路徑生成和使用代價(jià)計(jì)算。
規(guī)劃步驟：（1）關(guān)鍵點(diǎn)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系創(chuàng)建；（2）基于關(guān)鍵點(diǎn)的有向圖模型建立；（3）使用Dijkstra算法計(jì)算，并保存關(guān)鍵點(diǎn)之間的路徑及其靜態(tài)代價(jià)；（4）機(jī)器人關(guān)鍵點(diǎn)使用優(yōu)先級(jí)處理、沖突處理及等待代價(jià)計(jì)算；（5）所有機(jī)器人路徑優(yōu)先級(jí)排列遍歷，計(jì)算總體代價(jià)最小值；（6）依據(jù)代價(jià)最小的機(jī)器人路徑組合，計(jì)算沖突關(guān)鍵點(diǎn)的使用次序；（7）監(jiān)視器依據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)的使用次序，調(diào)度機(jī)器人。
4結(jié)論
本文首先系統(tǒng)地描述了移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航定位中躲避障礙物、可靠環(huán)境感知、魯棒數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和基于位姿的粒子濾波方法，在柵格地圖表征環(huán)境中，采用Wavefront方法進(jìn)行路徑規(guī)劃。其次，機(jī)器人可以通過(guò)環(huán)境感知傳感器采集環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃并運(yùn)動(dòng)到預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)點(diǎn)，無(wú)需人工干預(yù)。移動(dòng)機(jī)器人具體工作時(shí)根據(jù)事先確定的任務(wù)自主進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，在執(zhí)行此路徑的跟蹤時(shí)，還要不斷感知周圍的局部環(huán)境信息，避開(kāi)附近的移動(dòng)障礙物，即要進(jìn)行局部規(guī)劃或局部路徑修正。最后，多個(gè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和調(diào)度，使機(jī)器人能夠高效地配合完成較為復(fù)雜的任務(wù)。鑒于此，對(duì)服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航與調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)研究不僅滿足我國(guó)對(duì)未來(lái)多種類的高性能智能服務(wù)機(jī)器人需求，而且對(duì)占領(lǐng)市場(chǎng)具有重要的戰(zhàn)略意義。
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