滿足復(fù)雜需求的最優(yōu)巡回控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本系統(tǒng)涉及計(jì)算機(jī)圖像處理、路徑規(guī)劃、移動(dòng)機(jī)器人控制、通信等領(lǐng)域，尤其是面 向復(fù)雜時(shí)序任務(wù)的移動(dòng)機(jī)器人巡回控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 移動(dòng)機(jī)器人控制方法涉及環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種相 關(guān)技術(shù)。其中，滿足復(fù)雜任務(wù)需求的智能移動(dòng)機(jī)器人控制方法，在探索人類無法到達(dá)的未知 和危險(xiǎn)地域等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景非常廣泛，諸如機(jī)器人采礦、工廠特定環(huán)境的 安檢、災(zāi)區(qū)救災(zāi)等。
[0003] 傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人控制方法主要集中在對(duì)go-to-goal這類簡(jiǎn)單的任務(wù)需求的研 宄，主要采用路標(biāo)法、單元分割法、人工勢(shì)場(chǎng)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等方法來實(shí)現(xiàn)"從A點(diǎn)到 B點(diǎn)并避開障礙物"這類簡(jiǎn)單的路徑尋優(yōu)，并采用紅外尋跡、學(xué)習(xí)控制、路線跟蹤、視覺導(dǎo)航 等控制方法來控制機(jī)器人完成簡(jiǎn)單的任務(wù)。然而，上述的方法無法滿足移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際應(yīng) 用中的復(fù)雜任務(wù)需求，諸如"從點(diǎn)A到點(diǎn)B，然后巡回C、D兩點(diǎn)"這類包含巡回的任務(wù)。此 外，上述的控制方法都存在著不同程度的缺陷，如紅外尋跡和路線跟蹤需要構(gòu)建特定的環(huán) 境，且對(duì)環(huán)境的光線要求較高；視覺導(dǎo)航對(duì)于機(jī)器人硬件的要求較高；學(xué)習(xí)控制通用性差， 且機(jī)器學(xué)習(xí)與參數(shù)調(diào)整是一個(gè)較為繁瑣和復(fù)雜的過程。
[0004] 隨著實(shí)際生產(chǎn)生活中對(duì)機(jī)器人的應(yīng)用需求越來越大，對(duì)機(jī)器人的技術(shù)要求也越來 越高，對(duì)于能夠滿足復(fù)雜巡回任務(wù)需求且簡(jiǎn)單、有效的控制方法的研宄是目前移動(dòng)機(jī)器人 相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迫切需求。而基于線性時(shí)序邏輯的路徑規(guī)劃方法針對(duì)的不僅僅是傳統(tǒng)的"從A 到B并避開障礙物"這種簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)訪問任務(wù)，它可以滿足實(shí)際中比較復(fù)雜的任務(wù)需求， 例如全局保持在某些點(diǎn)的集合之內(nèi)（安全性），順序經(jīng)過某些點(diǎn)（保證性）之后，巡回其他 幾個(gè)點(diǎn)（循環(huán)性），并規(guī)避某些點(diǎn)（避障），同時(shí)在到達(dá)某些點(diǎn)之后必須訪問另外幾個(gè)點(diǎn)（反 應(yīng)性）等。此外，基于模糊邏輯的移動(dòng)機(jī)器人控制策略是一種基于規(guī)則的控制策略，具有設(shè) 計(jì)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，適用范圍廣，魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤。鑒于上述 優(yōu)點(diǎn)，將線性時(shí)序邏輯理論與模糊控制方法相結(jié)合，研宄滿足復(fù)雜需求的機(jī)器人最優(yōu)巡回 控制方法，不僅能夠規(guī)劃出既滿足復(fù)雜任務(wù)需求，又符合機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境的最優(yōu)路徑，并且 可以簡(jiǎn)單、方便地實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人完成最優(yōu)路徑跟蹤。
[0005] 滿足復(fù)雜需求的機(jī)器人最優(yōu)巡回控制方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法無法 滿足實(shí)際應(yīng)用中復(fù)雜任務(wù)需求的缺陷，而且，基于專家經(jīng)驗(yàn)，采用基于模糊邏輯的機(jī)器人運(yùn) 行控制策略能較好的控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤，完成指定任務(wù)。滿足復(fù)雜需求的機(jī)器人最 優(yōu)巡回控制方法可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人替人完成那些枯燥、危險(xiǎn)的任務(wù)，如港口等特殊環(huán)境的巡 回監(jiān)控，工廠內(nèi)的貨物搬運(yùn)，軍事中大范圍數(shù)據(jù)監(jiān)控等，而且可以降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，減少損失， 提高工作效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)無法滿足復(fù)雜任務(wù)需求的缺陷，本發(fā)明將設(shè) 計(jì)實(shí)現(xiàn)一種滿足復(fù)雜任務(wù)需求的移動(dòng)機(jī)器人控制方法。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的方案是：
[0008] 滿足復(fù)雜需求的機(jī)器人最優(yōu)巡回控制方法包括：構(gòu)建加權(quán)切換系統(tǒng)、構(gòu)建BUchi 自動(dòng)機(jī)的任務(wù)圖表、構(gòu)建Product自動(dòng)機(jī)的任務(wù)可行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路徑尋?yōu)、模糊邏輯控制以 及位姿信息反饋六步。首先，將已知的機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境建模成一個(gè)加權(quán)切換系統(tǒng)；接著，利 用線性時(shí)序邏輯（LTL)表達(dá)式描述給定的復(fù)雜任務(wù)需求作為任務(wù)輸入，同時(shí)用一個(gè)成本函 數(shù)（總的移動(dòng)距離）來衡量路徑的最優(yōu)性；之后，將切換系統(tǒng)和線性時(shí)序任務(wù)公式作笛卡爾 乘積構(gòu)建任務(wù)可行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；然后，采用移?dòng)機(jī)器人最優(yōu)巡回路徑算法搜索出滿足給定任 務(wù)需求的最優(yōu)巡回路徑；獲得最優(yōu)巡回路徑（目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列）之后，將其存儲(chǔ)在緩存中，根 據(jù)當(dāng)前任務(wù)的完成的情況（已訪問節(jié)點(diǎn)），將緩存中的下一目標(biāo)點(diǎn)分配給模糊邏輯控制器 進(jìn)行跟蹤；模糊邏輯跟蹤控制器根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的機(jī)器人位置和角度信息，調(diào)整機(jī)器人左右 兩輪速度，控制機(jī)器人完成路徑跟蹤，具體步驟如下：
[0009] 步驟1，構(gòu)建加權(quán)切換系統(tǒng)
[0010] 根據(jù)當(dāng)前機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境，構(gòu)建加權(quán)切換系統(tǒng)，以矩陣『 = ((?/,4/. 的形式表示。其中，Qt為一組有限的狀態(tài)集，表示機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境所包含的區(qū)域； W e込為初始狀態(tài)，表示機(jī)器人初始位置所在的區(qū)域；為轉(zhuǎn)換關(guān)系，表示機(jī)器 人當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境中各區(qū)域之間的聯(lián)通狀態(tài)；ΠΤ為一組有限的原子命題集，表示機(jī)器人需要 執(zhí)行的所有任務(wù)的集合，其中機(jī)器人在特定區(qū)域所執(zhí)行的任務(wù)表示為 ωτ>0為加權(quán)切換系統(tǒng)的權(quán)重，表示機(jī)器人在當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境中各區(qū)域之間運(yùn)動(dòng)所需的成本 (距離、時(shí)間等）。
[0011] 步驟2,構(gòu)建BUchi自動(dòng)機(jī)的任務(wù)圖表
[0012] 為了更加接近于人類自然語言，本發(fā)明采用線性時(shí)序邏輯語言來描述復(fù)雜任務(wù) 需求，然后通過外接LTL2BA工具箱將任務(wù)公式轉(zhuǎn)化為圖表的形式。其中，線性時(shí)序邏輯 語言所描述的任務(wù)需求是由加權(quán)切換系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)集Q t，標(biāo)準(zhǔn)布爾算子-(非）、V (或）、 Λ (與），以及時(shí)序邏輯算子4 (直到）、〈>(最后）、[](始終）等組成的表達(dá)式。例如，QT =Iqtl, qp q2, q3}，給定任務(wù)需求"巡回qJP q 3兩點(diǎn)"，則線性時(shí)序邏輯公式Φ可以描述為：
[0013] Φ = [JOq1A []<>q3；
[0014] 在輸入任務(wù)需求表達(dá)式后，需要將它轉(zhuǎn)化為區(qū)域序列可行性圖表，用以構(gòu)建步驟3 中的Product自動(dòng)機(jī)。本發(fā)明采用LTL2BA工具將任務(wù)需求表達(dá)式Φ轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的BUchi 自動(dòng)機(jī)，Bilchi自動(dòng)機(jī)是可判斷輸入的路徑序列是否滿足任務(wù)需求的圖表，用字母B表不： 5 = (?,ΣΛ,F5)，其中Qb是有限狀態(tài)集合，d 是初始狀態(tài)集合，Σ Β是輸入字母 表，么是轉(zhuǎn)換函數(shù)，是最終狀態(tài)集合。BUchi自動(dòng)機(jī)可以保證路徑滿 足任務(wù)需求；
[0015] 步驟3,構(gòu)建Product自動(dòng)機(jī)的任務(wù)可行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br>[0016] 為了在切換系統(tǒng)中獲取滿足任務(wù)需求的路徑，還要確保環(huán)境中存在這條 路徑，因此將加權(quán)切換系統(tǒng)T和BUchi自動(dòng)機(jī)B作笛卡爾乘積，得到滿足任務(wù)需求 的所有路徑的圖表，稱它為任務(wù)可行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，用字母P表示，即P = TXB，其中 有限狀態(tài)集合，g =Wxd為初始狀態(tài)集合，為轉(zhuǎn)換函數(shù)，F(xiàn)p= QtXFb為最終
【主權(quán)項(xiàng)】
1.滿足復(fù)雜需求的機(jī)器人最優(yōu)巡回控制方法，包括：構(gòu)建加權(quán)切換系統(tǒng)、構(gòu)建BUchi 自動(dòng)機(jī)的任務(wù)圖表、構(gòu)建Product自動(dòng)機(jī)的任務(wù)可行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒙窂綄?yōu)、模糊邏輯控制以 及位姿信息反饋六步；首先，將已知的機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境建模成一個(gè)加權(quán)切換系統(tǒng)；接著，利 用線性時(shí)序邏輯表達(dá)式描述給定的復(fù)雜任務(wù)需求作為任務(wù)輸入，同時(shí)用一個(gè)成本函數(shù)（總 的移動(dòng)距離）來衡量路徑的最優(yōu)性；之后，將切換系統(tǒng)和線性時(shí)序