鄒風(fēng)山1,2，趙彬1,3

　?。?.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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