機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)系列：規(guī)劃與導(dǎo)航

機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)系列：規(guī)劃與導(dǎo)航

　概覽

　　自主移動(dòng)機(jī)器人的規(guī)劃與導(dǎo)航包括利用有目的的抉擇制定和執(zhí)行來(lái)使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最高級(jí)的目標(biāo)。機(jī)器人是否勝任導(dǎo)航的能力必須通過(guò)兩個(gè)技能來(lái)證明：路徑規(guī)劃和避障。

　　目錄

1.路徑規(guī)劃
2.避障
3.在中LabVIEW使用算法

　　路徑規(guī)劃

　　給定地圖和目的地情況下的路徑規(guī)劃指的是機(jī)器人通過(guò)軌跡識(shí)別行進(jìn)至目的地的能力。路徑規(guī)劃是至關(guān)重要的問題解決能力，因?yàn)闄C(jī)器人必須有能力決定在到達(dá)目的地前的路程中如何行進(jìn)。

　　路徑規(guī)劃可分為兩部分：表達(dá)與算法。路徑規(guī)劃人員首先將機(jī)器人環(huán)境轉(zhuǎn)化為適合路徑規(guī)劃的形式。一些常用的技術(shù)包括廣義的Voronoi圖、規(guī)則網(wǎng)格和四叉樹。路徑規(guī)劃算法通?？捎糜趲缀跛信渲每臻g的表達(dá)，雖然某些方法會(huì)更適合特定表達(dá)。圖1展示了LabVIEW中繪制的Voronoi圖。

圖1.LabVIEW中的Voronoi圖

　　由于多數(shù)表達(dá)可轉(zhuǎn)換為圖表，初始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的路徑可通過(guò)圖搜索算法來(lái)計(jì)算。圖搜索算法被計(jì)算機(jī)科學(xué)充分理解，然而，許多算法要求程序訪問圖上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此來(lái)決定初始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的最短路徑。對(duì)于松連通圖來(lái)說(shuō)，訪問每個(gè)節(jié)點(diǎn)是容易計(jì)算的，如Voronoi圖；但對(duì)于緊連通圖來(lái)說(shuō)計(jì)算開銷迅速變大，如規(guī)則網(wǎng)格圖。

　　避障

　　路徑規(guī)劃人員僅考慮預(yù)先知道的環(huán)境障礙。在路徑執(zhí)行中可能由于地圖精度或動(dòng)態(tài)環(huán)境等因素，造成機(jī)器人真實(shí)傳感器的值與預(yù)期值之間存在差異。因此，機(jī)器人必須能根據(jù)真實(shí)傳感器的值實(shí)時(shí)改變運(yùn)動(dòng)路徑。這正是避障能力重要的原因。一些通用的避障方法包括Bug算法、VFH算法。

　　Bug算法

　　一種直接的路徑規(guī)劃方法是沿機(jī)器人行進(jìn)路線中每個(gè)障礙的輪廓繞行。Bug1算法中，機(jī)器人完全沿障礙物輪廓環(huán)繞，并在到達(dá)離目標(biāo)地點(diǎn)最近的點(diǎn)時(shí)分離。這種方法效率低，但能確保機(jī)器人到達(dá)任何可到達(dá)的目標(biāo)。Bug2算法中，機(jī)器人先沿障礙物輪廓行進(jìn)，當(dāng)達(dá)到可直達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)的位置時(shí)立刻分離。Bug2算法顯著縮短了機(jī)器人的行進(jìn)路程，但仍不是最優(yōu)的。

　　VFH算法

　　Bug算法的一個(gè)限制是機(jī)器人每一刻的行為一般為傳感器最近時(shí)刻讀數(shù)的函數(shù)。這就可能導(dǎo)致機(jī)器人的瞬時(shí)傳感器讀數(shù)不能為穩(wěn)定的避障能力提供足夠的信息。VFH技術(shù)通過(guò)創(chuàng)建機(jī)器人周圍環(huán)境的地圖克服了該限制。在避障時(shí)生成極坐標(biāo)柱狀圖來(lái)確定轉(zhuǎn)向。首先，識(shí)別能夠讓機(jī)器人通過(guò)的所有通道。然后，執(zhí)行考慮目標(biāo)方向、輪方向和前一刻方向的代價(jià)函數(shù)。

圖2.LabVIEWVI的前面板運(yùn)行VFH避障算法

　　在中LabVIEW使用算法

　　通過(guò)LabVIEW用戶可選擇最有效的語(yǔ)法來(lái)開發(fā)算法，或使用內(nèi)置工具來(lái)導(dǎo)入其它基于文本語(yǔ)言寫的算法。繼承代碼中已有的搜索算法及其它機(jī)器人庫(kù)可輕松導(dǎo)入LabVIEW、LabVIEWReal-Time和LabVIEWFPGA中。

　　調(diào)用函數(shù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)

　　LabVIEW用戶可利用調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)在Windows機(jī)器和實(shí)時(shí)嵌入式控制器中調(diào)用DLL。該節(jié)點(diǎn)用于在LabVIEW中創(chuàng)建調(diào)用專為L(zhǎng)abVIEW編寫的已有庫(kù)或新庫(kù)的接口。下圖的調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)輸入4個(gè)字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)，并輸出其平方值。

圖3.調(diào)用函數(shù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)可在LabVIEW中用于導(dǎo)入繼承代碼

　　公式節(jié)點(diǎn)

　　公式節(jié)點(diǎn)可用于LabVIEW和LabVIEWReal-Time中的算法開發(fā)。公式節(jié)點(diǎn)是一種簡(jiǎn)單的基于文本語(yǔ)言的節(jié)點(diǎn)，用于在LabVIEW框圖中執(zhí)行數(shù)學(xué)操作。用戶無(wú)需連接任何外部代碼或應(yīng)用，也無(wú)需連接低級(jí)算法函數(shù)來(lái)創(chuàng)建等式。除了基于文本的等式表達(dá)，公式節(jié)點(diǎn)還能接受基于文本版的if聲明、while循環(huán)、for循環(huán)和do循環(huán)，這些都是C語(yǔ)言用戶所熟悉的。

圖4.公式節(jié)點(diǎn)采用類似C語(yǔ)言的語(yǔ)法

　　公式節(jié)點(diǎn)對(duì)于包含許多變量或非常復(fù)雜的等式，以及使用已有的基于文本的代碼來(lái)說(shuō)很有用。用戶可將已有的基于文本的代碼復(fù)制、粘貼到公式節(jié)點(diǎn)中，避免了重新創(chuàng)建圖形代碼的麻煩。

　　HDL節(jié)點(diǎn)

　　HDL接口節(jié)點(diǎn)允許用戶在LabVIEWFPGA中綜合硬件描述語(yǔ)言(HDL)寫的算法或應(yīng)用。用戶可以直接在HDL接口節(jié)點(diǎn)中輸入HDL代碼，或引用外部HDL文件，下圖的例子中，HDL輸入節(jié)點(diǎn)包括了VHDL代碼，將兩個(gè)32比特?cái)?shù)字相加并返回結(jié)果。

圖5.HDL節(jié)點(diǎn)允許用于向LabVIEWFPGA中導(dǎo)入HDL代碼

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