I SSN CN 1 0 - 0 2 - 3 4 9 / 5 6 实验技术与管理 第27卷第12期201年12月 1 1 2 0 4 T

E x p e r i m e n t a l T e c h n o l o g ya n dMa n a g e m e n t Vol.27No.12Dec.201

基于路径规划的智能机器人控制实验 张佳,陈杰,窦丽华 ( 北京理工大学自动化学院,北京1081)

摘 验教学平台。在此平台上设计并开发了分别适用于本科生及硕士研究生的系列实验 规划、全区域覆盖路径规划以及多机器人队形控制等项实验内容。该实验能够让学生接触到先进的智能机 器人增强学生对自动化专业的学习兴趣提高了学生的动手能力和创新能力。 关键词智能机器人路径规划全区域覆盖队形控制 文献标志码文章编号

要 : 针对自动化专业学生 , 以 P i o n e e r 3 A T 系列的机器人为对象 , 搭建了基于路径规划的智能机器人实 , , 包括基于模型的路径 3 , , : ; ; ; 中图分类号 : T P 2 4 2 3 3 : A : 1 0 0 2 4 9 5 6 ( 2 0 1 0 ) 1 2 0 0 4 4 0 4

I n t e l l i g e n t r o b o t c o n t r o l e x p e r i m e n t s b ase d o n p at hp l an n i n g Zha n g J i a , Che n J i e , D ouL i hua ( S c h o o l o f A u t o m r a t i za t i o n , B e i e ji n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , B e i j ir n g 1 0 0 0 8 1 r , Ch i n a )

A b s t r a c t : A i e m t i n g a t s t r ud e n n n i T t m o t t t s o fau t o e m a t i za m t e i o n m ajo r i , t h p i s p a p e m r t ak e s r o b n o o t s o r o f P i o n e e n 3 A T S e r i n e e sas o b p je c t t a n d m c o n s t r u c sa n i x n t e l l i m g e o b o t x p o e r o e i n n t t o e a c h n e g l a t f or , b as e d o p at h p l a n t n i g .Bas ud e d e o n t h i s l a f or b , as e r n i s e o x f p e p t e i e swh i c ha p p i n t d t u n d r p g r adua t i e t s c t ud e n t sa n d g adua e s t e n t s r g s p c t i v e l l ya r o n e d e s t i g n e da d l o e i r e m d. I t t n c l ud e s m d e l b as e d r p a t h p l p a o n n i n g o m p l t e t e c n v e a g e p a t h p t l a n n i n a e d m u l t c i r e b o f t or m at i e o n e x n p i e n . h e e x p e r i m t o ff esa n o r t u n yf o r s ud e t s t w o r kw i hadva n c d i n t t e l i g t r b K o o s. I t n ha c e ss t t ud e n i s i n t e r e s t s t o l e a r n au t o m a t i za t i o n m ajo r . A l s o , s t ud e n t s i n n o va t i o n a b i l i y o u l d e i m p r o v e d b y e t h e e x p e o r e n t p . e y w o r d s : i n t l l i g e n r b t ; a t h p l a n n i n g ; c o m p l e t e c o v e r a g e ; f or m a t i o n

自动化技术是一门涉及学科较多、应用广泛的综 1 实验平台的搭（智械科技） 合性科学技术。实验教学是自动化专业教学过程中

[1] 非常重要的一环。随着目前机器人技术的不断发展, 本课程选用的机器人是美国先锋(Pioner3AT)

系列机器人[。该系列机器人是目前世界上最成熟的 4]

机器人控制实验已逐步进入各个高校。机器人教学对

于培养和提高学生的创新精神和动手能力具有极其重 轮式移动机器人研究平台之一。通常科研人员对此系

要的作用[。在自动化专业开设机器人控制实验课 2 ]

列机器人的开发与研究都在控制台程序上运行,但需

要对vMa机器人技术应用接口a有较 深的了解因此需要花费大量时间阅读繁多的程序代 熟悉研究环境。由于实验学时有限为了能让学生 在最短的时间内最大程度地掌握机器人的有关知识 首先搭建了一个简单实用的实验平台。该平台的建立 能使学生在最短时间内熟悉各种底层动作在实验课 程中掌握基础理论和系统深入的专门知识。 整个平台系统包括个功能模块用户操作管理 模块、通信模块、控制模块、数据分析处理模块和显示

程, 不仅可以让学生接触到国际先进的机器人们的眼界还可以让学生学习先进的控制方法 些方法运用于机器人的实际控制上 提高学生的创新能力和动手能力 域的继续发展奠定坚实的基础。为此 重点实验室项目中购买了数台机器人 , , 开阔他 并将这 A c t i e di A r i

, , ,扩展他们的思维, 码, , [ 3 ] , 为将来在控制领 ,

, 本校在北京市 , 针对自动化专 ,

业的教学内容及要求,开设了机器人控制实验,取得了 良好的教学效果。 5 :

收稿日期 : 2 0 0 9 1 2 2 1 修改日期 : 2 0 1 0 0 3 1 5

管理模块。各模块所组成的功能结构如图

们之间通过数据信号和控制信号联系在一起 个统一的整体。在控制模块中为学生的实验操作 留有接口所有的控制程序都可以在算法设计完成后

1 所示,它 基金项目 : 北京市教育委员会共建重点实验室资助项目 (CSYS

,构成一 1 0 0 0 (70417)

作者简介 : 张佳 1 9 8 0 ) , 女 ,北京市人 , 硕士 ,实验师 , 研究方向为机器 [ 5 ] ,

人控制、智能控制和图像处理. , 张 佳,等:基于路径规划的智能机器人控制实验 4 5

添加到控制模块中, 通过本平台进行验证。 智能搜索算法,如A算法和A算法等,并将其应用于 * 机器人的路径规划。机器人运动的切线图如图

其中为机器人的起点为终点块阴影覆盖 区域为障碍物。图中的各节点表示切点连接 点的路径以及障碍物的切线表示为弧。将弧上两端点 间的欧几里德距离作为费用由此可以选择从起始节 点到目标节点的最佳最短路径。

2 所 示, S , G , 2

2 , 2切

, ( )

图 2 机器人运动的切线图

图1教学平台的功能结构图 学生应用 A * 算法求出从起始点 。进而使点机器人沿着路径 和继续路径控制把移动机器 是某学生所完成的实验结果。 条可选路径的情况他选择了一条 从起点到终点最短的路径。通过本实验学生可以掌 为今后进行更为复杂的智能 S 到目标点 G 的

最佳 (最短路径 ) P P进行

2 实验项目

点到点控制( P T P ) ( C P ) ,

为了保持课程的多样性 学生掌握更多的知识点智能机器人实验课针对不同 阶段的学生提出了多项实验内容。目前包括基于模 型的路径规划、全区域覆盖路径规划和多机器人队形 控制等项实验内容。其中基于模型的路径规划和全 区域覆盖路径规划项实验是针对本科生提出的 为实验内容相对简单并且所使用的控制算法是确定 的。多机器人队形控制实验是针对硕士研究生提出 本实验包括多个实验部分每个部分需要一名学生 完成另外本实验的控制算法不定由学生自己在可 行的算法中进行选择这样既考查了学生的实验能力 又有助于提高他们的团队合作精神。 在实验过程中学生并不直接在实物机器人上进 行算法设计、编程和调试而是首先使用机器 人自带的M模拟器快速开发和检验所完成 的实验内容。当实验内容在M上验证无误 再将其加载到实物机器人中在真实环境里进行对 机器人的控制。 基于模型的路径规划（智械科技）

,激发学生的学习热情,让 人引导到目的地。图 3

, 对于个障碍物、 2 4 ,

: ,

握基本的智能搜索算法搜索奠定了基础。 ,

3 2 ,因 ,

的 ,,

; , , , ,

, 图3某学生的实验结果图示 , P i o ne e r

o bileSim 2 . 2 全区域覆盖路径规划

o bileSim 全区域覆盖路径规划法是在满足某种性能评价指

后 ,,

标最优的前提下寻找一条在设定区域内从始点到终点

且经过所有可达点的路径规划。设为某闭合曲线所 即机器人运动的整个范围。如果将平面移 遍历就是该质点能够连续移动且

s 2 . 1 包围的点,

移动机器人的路径规划就是给定机器人的工作环

境信息按照某种优化指标在起始点和目标点之间规 划出一条与障碍物无碰撞的最优路径。地图由机器人 和障碍物的模型组成有地图时的路径规划称为基于 模型的路径规划。本实验给出了机器人运动环境的 地图要求学生用最短路径到达目的地的切线图方法 来完成给定机器人的路径规划任务旨在让学生掌握

动机器人看作质点,

, 经过可达区域中所有点的一条连续路径可行遍历轨迹。可行遍历轨迹不止一条, , 称该路径为

所有可行遍 , 历轨迹称为可行遍历轨迹丛,由下式表示:

[6] L = { l i ( x x , , y , x,y)}(i=12!,n)

sG , 其中 x , y , y 分别为机器人起点和终点坐标值,