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智慧送餐服務型機器人導航路徑之設計

摘要"

現今主流的移動機器人路徑規劃技術主要建構於全域路徑規劃和局部路徑規。全域路徑規劃主要的作用是從已知地圖中自動找出最佳的路徑,而局部路徑規劃主要依照機器人前方障礙物感測和目標方位的權重,即時計算出相對應的速度控制指令。然而實務上自動最佳化的全域路徑生成容易緊靠桌邊致使送餐機器人容易碰撞到餐桌邊角。在這項研究中,我們採用固定全域路徑搭配自適應控制方法來跟隨給定的全域路徑。實驗結果表明,透過無模型自適應控制方法,給定適當連續片段目標點,可以控制送餐機器人緊密且平穩地沿著預定全域路徑的軌跡行走。

關鍵詞:移動機器人、路徑規劃、自適應控制

簡介

隨著移動機器人技術和人工智能技術的飛速發展,服務型機器人已開始在我們的生活周遭使用。跟據同步定位與建圖(SLAM)[1]技術發展,移動機器人自動導航功能得以實現,這使得服務型機器人可以自主移動並執行日常服務工作,例如自動清潔和自動物流工作。一般來說,除了同步定位與建圖技術外,移動機器人自主導航的核心工作還包含了路徑規劃和路徑跟隨。
現今主流移動機器人路徑規劃技術主要是基於全域路徑規劃和局部路徑規劃所組成。例如全域路徑規劃主要根據已知的地圖建立合適的路徑,而局部路徑規劃不僅要跟隨全域路徑規劃路線,而且還要考慮避免機器人前方障礙物。在這項研究中,我們使用預先定義的全域路徑並設計路徑跟隨器來替代自主的全域路徑規劃器。本研究擬運用無模型自適應控制方法導入於服務機器人,並以速食餐飲業為場域應用例,解決機器人送餐時最容易碰撞到餐桌邊角的導航問題。

移動機器人路徑規劃

路徑規劃是移動機器人導航的最基本部分。它指的是機器人如何在工作環境中找到從起點到終點的適當運動路徑作為無碰撞的航線路徑點。通常,路徑規劃主要涉及以下兩個主要問題:
• 避障
• 優化路徑
根據環境感測資訊,目前移動機器人主流的路徑規劃可分為全域路徑規劃和局部路徑規劃。對於全域路徑規劃,它使用環境的先驗資訊(例如全域地圖)來創建最佳路徑。另一方面,局部路徑規劃將跟隨全域路徑並通過機器人即時的感測來重新計算局部路徑以避開鄰近障礙物。圖1顯示移動機器人路徑規劃的流程圖。

全域路徑規劃

全域路徑規劃是一種預規劃方法,取決於對已知地圖的分析。例如,1989年提出了人工勢場(APF)算法[2]。其概念是將虛擬吸引力和排斥力應用於機器人。目標點為機器人提供吸引力,而障礙物是排斥力。合併力後,可以獲得機器人到目標點的移動路徑。快速探索隨機樹(RRT)[3]方法最初於1998年提出。其思想是以起始點為空間的根進行生長,並通過隨機採樣添加子節點。將最近的子節點連接到根節點,直到子節點逐漸到達目標點,然後選擇可行的路徑。其他眾所周知的路徑創建方法諸如常用的Voronoi圖(GVD)[4]和概率路線圖[5](PRM)。PRM對環境進行採樣以創建圖形,該圖形的每個邊緣對於機器人而言都是安全的,並且將諸如Dijkstra[6]或A * [7]之類的圖形搜索算法應用於搜尋起始位置和目標位置之間的路徑。現今,佔用柵格圖[8] 主要代表了環境的後驗概率模型。圖形搜索算法Dijkstra或A*也適合用於佔用柵格圖的最優路徑
搜尋。

局部路徑規劃

為了將全域路徑轉換為合適安全的航線,局部路徑規劃應用感測器來感測機器人的周遭以獲得障礙物的相對幾何資訊。因此,局部路徑規劃將產生避障策略並嘗試跟隨全域路徑所提供的軌跡。局部路徑規劃的某些局部軌跡生成可以應用Bezier線[9],圓弧,線段[10]或樣條線[11]。如今,主流的局部路徑規劃方法之一是使用動態窗口方法(DWA)[12],動態窗口方法的基本流程如下:
DWA方法是一種局部響應避障控制器,它在速度空間中(平移速度v和角速度ω)搜索最佳運動。
• 考慮機器人的動態約束以減少樣本空間。
• 對應於不同速度的軌跡可以由一系列具有不同曲率的弧表示。
• 為了獲得快速響應,假定機器人的速度在所有將來的時間間隔內都是恆定的。
• 採樣的軌跡由目標函數O(υ,ω)評估,目標函數由目標航向,障礙物清除和速度組成,如下所示:

heading(v,ω)是機器人當前的頭部方向與目標方向之間的角度差,dist(v,ω)是到最近障礙物的距離,velocity(v,ω)表示機器人的前進與旋轉速度。對於每組採樣速度,評估從正向時間模擬得到的每條軌跡,然後選擇得分最高的採樣速度作為運動命令。DWA正向時序模擬如圖2所示。

實際導航中的問題

在實際應用中,若直接以ROS[13] 公佈的導航架構應用於速食餐飲業中的自動送餐機器人,將因為自動最優全域路徑容易沿著桌邊產生,儘管可以通過機器人平台上配備的光達測距儀感測到該餐桌的基座柱如圖3(a)(b)所示,但由於反光或遮蔽導致局部路徑規劃的避障功能反應不及,機器人將易於碰撞到桌子的邊角,導致送餐任務失敗。
為了克服場域中所面臨的問題,本研究使用預先定義的路徑和路徑跟隨器來替換自主的全域路徑規劃,以克服實際導航容易碰撞的問題。一般來說,DWA可看成是動態控制器。我們希望保持該DWA動態控制器仍持續生成速度指令,以使機器人能夠平穩地跟隨預定路徑。因此,此處通過路徑跟隨器動態饋送給DWA的航線路徑點來達成機器人的全域路徑跟隨,下節將對此進行介紹。

路徑跟隨器設計

路徑跟隨器有四個主軸:
• 送餐路徑生成:從文件或上層發佈訊息獲取預先定義的路徑。
• 編輯航線路徑點:清除路徑中不合適的航線路徑點。
• MFAC無模型自適應控制之航段管制:自動調整送餐路徑之導航點之間的航段長度,依序共分成路徑跟隨之依據以及MFAC無模型自適應控制之應用。
• DWA之區域路徑傳遞:依照MFAC調整之結果,產出相關生成路徑,並以DWA進行區域設定。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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