鄒風山1,2，趙彬1,3

　?。?.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016；3.東北財經(jīng)大學 工商管理學院，遼寧 大連 116025）

        摘要：針對服務(wù)機器人導航和調(diào)度系統(tǒng)問題進行了研究。首先根據(jù)事先確定的任務(wù)進行自主全局路徑規(guī)劃，移動機器人在執(zhí)行路徑跟蹤時，還要不斷感知周圍的局部環(huán)境信息；其次，移動機器人不僅要避開附近的移動障礙物，而且要進行局部規(guī)劃或局部路徑修正；然后，完成了地圖創(chuàng)建、機器人全局定位、規(guī)劃局部路徑并控制車體運動；最后，介紹了服務(wù)機器人調(diào)度系統(tǒng)終端軟件。實現(xiàn)了機器人與調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)合，完成通過調(diào)度系統(tǒng)進行機器人運動控制的功能。

　　關(guān)鍵詞：移動機器人；地圖創(chuàng)建；定位；調(diào)度系統(tǒng)

　　中圖分類號：TP242.3文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.017

　　引用格式：鄒風山，趙彬.服務(wù)機器人導航與調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)研究［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（7）：56-58，62.

0引言

　　*基金項目：國家科技重大專項（2014ZX02103）服務(wù)機器人作為機器人行業(yè)的主打產(chǎn)品系列之一，其適用范圍越來越廣，在酒店引領(lǐng)、商場導購、餐廳送餐、展示講解等領(lǐng)域已成熟應(yīng)用［1］。智能服務(wù)機器人在我國先進制造技術(shù)的發(fā)展中起著關(guān)鍵的作用，將機器人技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合，面向家庭的智能服務(wù)機器人應(yīng)用程序?qū)⒊蔀槲磥頂?shù)字家庭的關(guān)鍵角色。移動機器人心臟的中央處理單元RC接收多個傳感器融合信息，使機器人能夠理解它們的周圍和外部環(huán)境信息［2］。利用這一方法實現(xiàn)實時運動控制決策，找到最優(yōu)路徑。由于傳感器和控制器的作用,一方面，移動機器人在沒有人工干預(yù)的條件下,完成自主運動規(guī)劃實現(xiàn)自主避礙；另一方面，可以采取多種控制方式實現(xiàn)半自動運行。如操作者通過鍵盤和鼠標發(fā)送控制命令，使得機器人能夠理解人類語言［3］。同時，機器人還可以根據(jù)聲音命令，實現(xiàn)云數(shù)據(jù)學習和網(wǎng)絡(luò)訪問，遠程服務(wù)使得機器人不僅可以從遠程位置環(huán)境中獲取信息，還可以幫助運動和控制決策等［4］。

　　本文以自主移動機器人可以模擬人類自我學習的過程為目的，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，從而實現(xiàn)實時運動控制決策、避障、找到最優(yōu)路徑；在柵格地圖表征環(huán)境下，采用Wavefront方法進行路徑規(guī)劃、自主移動和軌跡跟蹤。對服務(wù)機器人實現(xiàn)服務(wù)機器人調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)器功能，完成系統(tǒng)內(nèi)機器人的整體調(diào)度規(guī)劃和命令下發(fā)。實現(xiàn)服務(wù)機器人調(diào)度系統(tǒng)PC終端軟件，完成PC端的機器人調(diào)度申請功能。打破國外發(fā)達國家在智能服務(wù)機器人領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)封鎖，提高我國智能服務(wù)機器人的技術(shù)水平，促進我國智能機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1移動機器人導航定位

　　本系統(tǒng)將利用通用激光雷達數(shù)據(jù)預(yù)處理方法對數(shù)據(jù)進行預(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，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)對環(huán)境先驗知識的要求，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)。二維激光雷達對環(huán)境離散化程度高，受遮蔽等影響大。面向定位的激光雷達數(shù)據(jù)通用特征提取方法利用環(huán)境的先驗知識可以很容易地解決這些問題，提高特征提取的精度，但在環(huán)境不符合先驗知識的情況下，將產(chǎn)生大量不穩(wěn)定的特征，嚴重影響定位系統(tǒng)的魯棒性。

　　為了解決這些問題，在對數(shù)據(jù)進行濾波、分割的基礎(chǔ)上提取這些離散點構(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）的激光雷達觀測之中。通過解決噪聲問題、離散化問題和結(jié)構(gòu)張量正規(guī)化（Normalization）問題，可以成功地對二維激光雷達進行特征提取，經(jīng)過實驗驗證，這種方法提取的特征比基于環(huán)境先驗知識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，用粒子來表示機器人的位姿，在整個地圖分布粒子，利用觀測計算粒子的權(quán)值，對權(quán)值進行歸一化處理，根據(jù)粒子權(quán)值進行重采樣。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，可以對移動機器人進行定位。這個問題稱作全局定位問題。由于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的復雜性和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)具有的指數(shù)復雜度，全局定位問題被看做是一個復雜的問題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法要求移動機器人對位置先驗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，利用基于后驗概率的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法，可以在位置先驗信息不確定度較差的情況下，準確地獲取數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)果。

　　1.3移動機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€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算正確的地圖轉(zhuǎn)移量。在二維環(huán)境中，這個地圖轉(zhuǎn)移量包含在X和Y方向的平移距離以及一個旋轉(zhuǎn)角。地圖轉(zhuǎn)移量的計算需要找到地圖之間的相似目標，進而驗證地圖根據(jù)該相似目標進行合并后的似然函數(shù)。圖3給出了一個地圖合并的例子。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移動機器人路徑規(guī)劃

　　要研究機器人路徑規(guī)劃首先構(gòu)建一張地圖，取定位點，通過PAD操作創(chuàng)建如圖4所示的地圖。地圖創(chuàng)建完成后，手動遙控實驗平臺運動，并使用PC端軟件的地圖顯示功能實時監(jiān)控實驗平臺運行，確認實驗平臺實際運行位置和地圖上顯示位置是否一致。

　　2.1移動機器人路徑規(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、實時性以及對環(huán)境變化的適應(yīng)性問題，同時保證機器人在動態(tài)不確定環(huán)境下，能夠在滿足自身運動學約束的前提下，以最短路徑代價運動到目標點。

　　2.2Wavefront法

　　由于室內(nèi)環(huán)境規(guī)模較小，環(huán)境內(nèi)障礙物相對較多，一般室內(nèi)環(huán)境都采用柵格地圖或拓撲度量地圖標示。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方法進行路徑規(guī)劃是一種簡潔、可靠的選擇。Wavefront方法將地圖看做一個可導熱的物體，環(huán)境中的障礙物為熱絕緣體；出發(fā)點被看做熱源，熱量從熱源擴散出去。當熱量到達目標點時，熱量停止擴散，同時產(chǎn)生有效路徑。利用這種方法，可以確保有效路徑的探測率達到100%，同時，可以根據(jù)應(yīng)用需求，在安全性和能量效率之間進行平衡，產(chǎn)生定義的最優(yōu)路徑。然而，由于計算復雜度的原因，Wavefront方法不適用于大規(guī)模環(huán)境之中。

3機器人調(diào)度系統(tǒng)

　　3.1服務(wù)機器人調(diào)度系統(tǒng)

　　圖5基于ICE中間件的分布式軟件系統(tǒng)多個機器人能夠協(xié)調(diào)工作是服務(wù)機器人提高自身應(yīng)用價值、推廣市場和提高用戶體驗的必備功能。因此需要一套調(diào)度系統(tǒng)，在多臺機器人協(xié)同作業(yè)時進行統(tǒng)一規(guī)劃和調(diào)度，使機器人能夠高效地配合完成較為復雜的任務(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：機器人狀態(tài)信息采集和處理(位姿、運行狀態(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)鍵點的路徑生成和使用代價計算。

　　規(guī)劃步驟：（1）關(guān)鍵點及其關(guān)聯(lián)關(guān)系創(chuàng)建；（2）基于關(guān)鍵點的有向圖模型建立；（3）使用Dijkstra算法計算，并保存關(guān)鍵點之間的路徑及其靜態(tài)代價；（4）機器人關(guān)鍵點使用優(yōu)先級處理、沖突處理及等待代價計算；（5）所有機器人路徑優(yōu)先級排列遍歷，計算總體代價最小值；（6）依據(jù)代價最小的機器人路徑組合，計算沖突關(guān)鍵點的使用次序；（7）監(jiān)視器依據(jù)關(guān)鍵點的使用次序，調(diào)度機器人。

4結(jié)論

　　本文首先系統(tǒng)地描述了移動機器人導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方法進行路徑規(guī)劃。其次，機器人可以通過環(huán)境感知傳感器采集環(huán)境信息，實現(xiàn)自主路徑規(guī)劃并運動到預(yù)先設(shè)定的目標點，無需人工干預(yù)。移動機器人具體工作時根據(jù)事先確定的任務(wù)自主進行全局路徑規(guī)劃，在執(zhí)行此路徑的跟蹤時，還要不斷感知周圍的局部環(huán)境信息，避開附近的移動障礙物，即要進行局部規(guī)劃或局部路徑修正。最后，多個機器人協(xié)同作業(yè)時進行統(tǒng)一規(guī)劃和調(diào)度，使機器人能夠高效地配合完成較為復雜的任務(wù)。鑒于此，對服務(wù)機器人導航與調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)研究不僅滿足我國對未來多種類的高性能智能服務(wù)機器人需求，而且對占領(lǐng)市場具有重要的戰(zhàn)略意義。

參考文獻

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