维普资讯 http://www.cqvip.com 《工业控制计算机｝２００６年１９卷第３期 １５ 基于模糊逻辑控制与人机交互的移动机器人避障系统 Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔ ＡＶＯｉｄｉｎｇ—ＯｂＳｔａｃＩｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｈｕｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ 韩洁琼 曾 碧 （广东工业大学计算机学院智能工程研究所，广东广州５１００９０） 摘 要 主要采用模糊逻辑控制的方法，使用十六位单片机ＳＰＣＥＯ６１Ａ的语音输入功能，构成一个人机交互系统．并使二者结合 起来应用于移动机器人导航过程中，较好地搭建了一个基于人机监督指导的移动机器人智能避障系统、完成避障和路径规 划任务，可以克服基于多传感器的机器人避障技术方面存在的不足之处，具有较好的工程实用价值。 关键词：人机交互，模糊逻辑控制，机器人，避障，路径规划 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｗｏ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｆａｃｅｔｓ：ａｖｏｉｄｉｎｇ－ｍｏｖｉｎｇ－ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｎｄ ａｖｏｉｄｉｎｇ—ｓｔａｔｉｃ—ｏｂｓｔａｃｌｅ．Ｂｙ ｔｈｅ ｗａｙ． ｔｈｉｓ ｗａｙ ｃａｎ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｄｒａｗｂａｃｋｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌａｓｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｒｇｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｕｍａｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏ１．ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｖｏｉｄｉｎｇ—ｏｂｓｔａｃｌｅ．ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ 在移动机器人的实际工作环境中，可能存在突见障碍物或 ２避障与导航策略 以任何速度和方向随机运动的移动障碍物，这将影响机器人导 图２给出了避障规划的一个导航周期的汁箅框图。 航的准确性。由于从传感器中所获得的数据存在一定的冗余、误 差以及不准确性，从而造成了机器人在避障性能方面的不稳定。 为了克服以上不足之处，本论文将模糊逻辑控制与人机交互引 入规划算法，以提高移动机器人对于随时间变化的动态未知环 境的适应能力，以达到快速、准确的导航目的。 １ 人机交互的硬件实现 在本系统中，硬件资源方面采用了凌阳１６位单片机 ＳＰＣＥ０６１Ａ，它不但具有微控制器的功能，还具有ＤＳＰ运算功 能，可以用来进行数字语音（音乐）信号处理，根据此特点，我们 可以将其应用于本导航系统中，形成一款语音遥控器，可以用来 进行语音识别、录音等的语音信号的输入，人机交互系统硬件的 结构框图，如图１所示。操作人员就可以通过视觉观察首先判断 障碍物的类型，通过按键选择相应的功能模块；接着将观察所得 的近似距离值通过迈克风进行语音输入，然后根据输入值进行 查找控制表操作，并最终产生最后的控制输出，控制移动机器人 的避障和路径规划过程。 圈 凌困 线Ｉ＂１ 阳 ｌ＾Ｄｃ ｆ速 度 田Ｉ呈ｆ ＳＺ￣ＣＥ０６ｔＡ 一 制 控 图２避障规划的一个导航周期的计算框图 Ｌ竺＿Ｊ 避障与导航策略分以下三步进行： 单 ＣＰＵ Ｉｕ Ｉ Ｉ１）在导航开始之前，需要完成相关参数的初始化工作，如移 片 角速 动机器人的最大速度和加速度等值，在每个导航周期的开始，主 Ｌ网 机ｕ二＿＿Ⅲ 双ｌ匕 Ｄ埔ＩＡＣ遒１ ｌ制度控 要由操作人员对周围环境进行观察，确定其行进的前方是否存 在障碍物及其类型。如果存在的是移动障碍物，则通过人机交互 ｌ式接口命令移动机器人此时执行避移动障碍物功能模块，该控 制模块主要完成的工作是，保持机器人的前进方向不变，而改变 图１ 人机交互系统碰件结构框图 其速度值的大小，主要执行减速运动，当机器人安全避过移动障 ￥广东省自然科学基金资助（编号：０５００１８０１） 维普资讯 http://www.cqvip.com １６ 碍物之后，机器人又开始新一轮的工作，这种导航方式极大程度 地克服了移动障碍物行进过程中速度与方向的不确定性及机器 人路径规划的复杂性算法。 ２）如果操作人员发现障碍物为突见的静止障碍物，则经人 机交互接口命令机器人执行确定远近功能模块，与此同时根据 操作人员语音输入的距离值来确定障碍物距机器人的远近程 度。这里假设用Ｗ表示接近程度值，１一Ｗ表示两者的远离程 度，接着比较Ｗ与１一Ｗ的大小关系。如果接近程度值Ｗ较大 的话，说明此时的避障功能模块具有较高的优先级，相应执行避 障策略；而当１一Ｗ比较大时，说明静止障碍物与机器人之间还 存在较远的距离，根据实际的经验知，在此种情况下，可以令机 器人继续向目标模块移动，这样更为合理些。在执行避突见的静 止障碍物和向目标导引的模块中，两者都是通过改变机器人的 行进方向，前者是根据操作人员视觉的观察所得到的突见障碍 物的位置去改变机器人的方向的，而后者则是要根据最终的目 标的位置去改变机器人的行进方向的，在获得机器人的方向数 据之后，再根据语音输入的距离值，通过速度控制模块确定机器 人的速度的大小值。 ３）首先根据由以上模糊控制模块计算出的行进方向和速度 的大小值去操纵机器人，之后再将它的当前位置与最终的目标 值进行比较，如果两者匹配，说明机器人已经到达了目标位置， 导航过程结束，若二者不匹配，则其将开始新一轮的导航周期。 ３各控制功能模块的模糊模型 以下各模块的模糊控制模型均来自于操作人员的实践操纵 经验。 ３．１避移动障碍物模块 若已经确定前方存在的是移动障碍物的前提下，操作人员 通过遥控器面板人为地切换到执行避移动障碍物功能模块，并 将两者的距离通过人机接口进行语音输入（当然这些语音输入 值均是以模糊语言所表示的近似估计值），然后进行查表操作， 从而产生最终的控制输出。主要是通过改变机器人的速度大小 值来达到避障目的的。模糊规则及隶属函数如图３所示。 Ｊ ｌ １ ０ 障研物较近 Ｉ 一— ＿＿——＼ ＼ ＼、 ＼～ Ｌ Ｏ ２０■４０ ｒ ｌ５牵 物ｊ 离 Ｊ ｌ １ ０ Ｉ ｌ、 ～～～＿＿＿＿～＿ｌ＿＿‘ ～一 Ｌ Ｏ ０ 速度减 圈３避移动障碍特的输入输出隶属函数 采用的控制规则如下：用Ｅ表示两者之间的距离，Ｕ表示控 制输出量，ＣＮ表示距障碍物较近，ＣＦ表示距障碍物较远。 Ｉｆ Ｅ＝ＣＮ，ｔｈｅｎ Ｕ＝Ｕｌｉ Ｉｆ Ｅ＝ＣＦ，ｔｈｅｎ Ｕ＝Ｕ２； 基于模糊逻辑控制与人机交互的移动机器人避障系统 备注：Ｕ１、Ｕ２为根据障碍物的远近程度，相应输出的减速 值。 ３＿２确定远近功能模块 此模块主要针对突见的静止障碍物的避障策略所设计。 操作人员观察机器人左前方、右前方、正前方所存在的障碍 物，将所得到的距离近似值作为该模块的输入值，而输出为机器 人与突见障碍物的接近程度值Ｗ，比较Ｗ与１一Ｗ二者的大小 关系。在向目标导引模块和避突见障碍物模块中进行选择，这个 过程中主要采用两条模糊控制规则： Ｌ．表示接近程度较大；Ｓ：表示接近程度较小； Ｉｆ Ｅ＝ＣＮ。ｔｈｅｎ Ｗ＝Ｌ；／ 选取避突见障碍物模块 Ｉｆ Ｅ－－ＣＦ。ｔｈｅｎ Ｗ＝Ｓ；／ 选取向目标导引模块 其相应的隶属函数如图４所示。 ＣＮ ｔ／ ＣＦ ＼／ ／ ＼ 障碍物 离 Ｊ ｌ １ ０ 较低的接近艘 较 的接近度 ．１ ㈠＼。 ＼＼１ 。 图４远近控制隶属函数 ３．３避突见障碍物模块 只需要改变机器人的行进方向，即可达到避障目的，根据机 器人所处的位置，控制机器人的更大自由空间沿该方向移动。 如果障碍物在其左侧，则机器人向右运动；如果障碍物在其 右侧，则机器人向左运动；如果障碍物在正前方，则机器人向右 或向左运动。在以上三种模糊控制规则中，输出的控制量均为机 器人的车轮的转角方向。 ３．４向目标导引模块 该模块主要实现的功能是使机器人向最终的目标位置继续 移动，此种情况下输入值为机器人当时的运动方向和机器人指 向目标位置的矢量之间的角度，输出也是机器人的转角值。 ３．５速度控制模块 在该模块中有两个输入值，即机器人的速度以及机器人与 最近的障碍物之间的距离值，相应输出控制量为机器人速度的 增加值或减少值，所采用的推理规则为，＿ｆ Ａ ａｎｄ Ｂ，ｔｈｅｎ Ｃ，同 时要说明一点的是最小速度时其值为０，即此机器人是不允许 倒退的。其相应隶属函数如图５所示。 ４结束语 本论文提出将模糊逻辑控制与人机交互系统相结合，并应 用于移动机器人的导航过程中，来快速准确地完成避障和路径 规划任务，具有很强的实时性和灵活性，同时也可以将其进行推 （下转第２６页） 维普资讯 http://www.cqvip.com ＣＰＬＤ在ＣＡＮ通讯卡中的应用 ｍａｄｄｒ： ＩＮ ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿ｖｅｃｔｏｒ（１５ ＤＯＷＮＴＯ ８）： ｉｆ（ｐｗｒ＝ ０ ）ｔｈｅｎ ｄａｔａ（７ ｄｏｗｎｔｏ ０）＜＝ｐｄａｔａ（７ ｄｏｗｎｔｏ ０）： ｍａｄ： ＩＮＯＵＴ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ＿ｖｅｃｔｏｒ（７ ＤＯＷＮＴＯ ０）： ｅｎｄ ｉｆ； ｍａｌｅ： ＩＮ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ； ｉｆ（ｐｒｄ＝ ０ ）ｔｈｅｎ ｐｄａｔａ（７ ｄｏｗｎｔｏ ０）＜＝ｄａｔａ（７ ｄｏｗｎｔｏ ０）： ｍｗｒ： ＩＮ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ； ｅｎｄ ｉｆ； ｍｒｄ： ＩＮ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ； ｅｎｄ ｉｆ； ｒａｍ＿ｃｔｒｌ：ｌＮ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ； ｉｆ（ｍｃｓ＝ ０ ａｎｄ ｐｃｓ＝ １ ）ｔｈｅｎ 一一定义ＣＰＬＤ与ＲＡＭ相连的地址总线ａｄｄｒ，数据总线ＤＡＴＡ．控—－制 ａｄｄｒ（１４ ｄｏｗｎｔｏ ８）＜＝ｍａｄｄｒ（１４ ｄｏｗｎｔｏ ８）： 线ＣＳ ｗｒ＜＝ｍｗｒ： ａｄｄｒ： ＯＵＴ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ＿ｖｅｃｔｏｒ（１４ ＤＯＷＮＴＯ ０）： ｒｄ＜＝ｍｒｄ； ｄａｔａ： ＩＮＯＵＴ ｓｔｄ—Ｉｏｇｉｃ．．ｖｅｃｔｏｒ（７ ＤＯＷＮＴＯ ０）： ＣＳ＜＝ｍｃｓ； ．ｗｒ： ＯＵＴ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ； ｉｆ（ｍａｌｅ＝ ０ ）ｔｈｅｎ ａｄｄｒ（７ ｄｏｗｎｔｏ ０）＜＝ｍａｄ（７ ｄｏｗｎｔｏ ０）： ｒｄ： ＯＵＴ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ； ｅｌｓｅ ＣＳ： ＯＵＴ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ）； ｉｆ（ｍｗｒ＝ ０ ）ｔｈｅｎ ｄａｔａ（７ ｄｏｗｎｔｏ ０）＜＝ｍａｄ（７ ｄｏｗｎｔｏ ０）： ＥＮＤ ＲＡＭ； ｅｎｄ ｉｆ； ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ｐｅｒｆｏｒｍ ＯＦ ＲＡＭ ＩＳ ｉｆ（ｍｒｄ＝ ０ ）ｔｈｅｎ ｍａｄ（７ ｄｏｗｎｔｏ ０）＜＝ｄａｔａ（７ ｄｏｗｎｔｏ ０）： ｓｉｇｎａｌ ｐｃｓ：ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ； ｅｎｄ ｉｆ； ｓｉｇｎａｌ ｍｃｓ：ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ； ｅｎｄ ｉｆ； ｂｅｇｉｎ ｅｎｄ ｉｆ； ｐｒｏｃｅｓｓ ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ； ｂｅｇｉｎ ＥＮＤ ｐｅｒｆｏｒｍ； 一一ＰＣ机与ＣＰＬＤ之间的逻辑关系 ５结束语 ｉｆ（ａｎｅ－－－。＾０ ａｎｄ（ ｐｗｒ＝～０ ｏｒ ｐｒｄ＝ ＾０）ａｎｄ ｐａｄｄｒ （１９ ｄｏｗｎｔｏ １５）＝” １１０１０＂）ｔｈｅｎ ｐｃｓ＜＝ ０ ： 本文所描述的利用ＣＬＰＤ和通用ＲＡＭ实现双口ＲＡＭ的 ｅｌｓｅ ｐｃｓ＜＝ １ ： ＣＡＮ通讯卡，是笔者在变电站综合自动化和矿井安全监控系统 ｅｎｄ ｉｆ： 中开发的通讯卡。该卡是智能型符合ＩＳＡ总线标准的ＣＡＮ通讯 一一微控制器与ＣＰＬＤ之间的逻辑关系 ｉｆ（（ｍｗｒ＝ ０ ｏｒ ｍｒｄ＝ ０ ）ａｎｄ ｍａｄｄｒ（１５）＝ ０ ａｎｄ ｒａｍ＿ｃｔｒｌ＝ ０ ）ｔｈｅｎ 卡，已在多个工程中得到了实际应用。这种方法实现的双口 ｍｃｓ＜＝ ０ ： ＲＡＭ经济实用，而且比一般的双口ＲＡＭ容量大，省去锁存器和 ｅｌｓｅ ｍｃｓ＜＝ １ ： 多种其它逻辑电路，还可以不改变硬件而进行功能修改。 ｅｎｄ ｉｆ； —－ＣＰＬＤ与ＲＡＭ之间的逻辑关系，通过ｐｃｓ和ｍｃｓ的互异关系，一一使 得某一时刻，只有一边可以访问ＲＡＭ 参考文献 ｉｆ（ｐｃｓ＝ ０ ａｎｄ ｍｃｓ＝ １ ）ｔｈｅｎ １ Ｓｔｅｆａｎ Ｓｊｏｈｏｌｍ，Ｌｅｎｎａｒｔ Ｌｉｎｄｈ．边计年译．用ＶＨＤＬ设计电子线路． ａｄｄｒ（１４ ｄｏｗｎｔｏ ０）＜＝ｐａｄｄｒ（１４ ｄｏｗｎｔｏ ０）： 北京：清华大学出版社，２Ｏｏ０ ｗｒ＜＝ｐｗｒ； ｒｄ＜＝ｐｒｄ； ２邬宽明编著．ＣＡＮ总线原理和应用系统设计．北京：北京航空航天大 ＣＳ＜＝ｐｃｓ； 学出版社。１９９６ ［收稿日期＝２００５．８．２８］ ’’＇’，＇，，，，，，，，，，，，，，’’’’’’，，，，，，，，，，，，，，，，，，’＇’’’，＇，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，， （上接第１６页） 广，可在机器人的前方安装上半球反射镜和ＣＣＤ摄像机构成全 Ｊ ｌ 景传感器，这样可以让机器人代替人来完成一些危险作业。操作 人员只需根据采集到的视频图像观察机器人的实时工作环境， 弼物 离较近 障掰物距离较远 从而进行远程遥控控制，具有很高的实用工程价值。 １ ０ 参考文献 １余永权，曾碧．单片机模糊逻辑控制．北京航空航天大学出版社，１９９５ ０ Ｏ ４ ０ ８ １ ４ ２ ０ 稚碍物 离 ２王学慧，田成方．微机模糊控制理论及其应用．电子工业出版社，１９８７ ３余永权．单片机与家用电器智能化技术．电子工业出版社，１９９５ ４余永权．单片微机与模糊控制讲座．电脑．１９９３，５－１２；１９９４，１—７ Ｊ ５余永权，李小青，陈林康．单片机应用系统的功率接口技术．北京航空 航天大学出版社，１９９２ 述膻６ 曾碧．单片机模糊控制的工程实现．１９９３年全国单片微机学术交流 ｔ￣ｔ＇Ｅ 速度较墙 会论文集：１６３－１６９ １ Ｃ ｛Ｘ ７ Ｒｏｂｉｎ Ｒ．Ｍｕｒｐｈｙ．人工智能机器人学导论．电子工业出版社，２００４ ８蔡自兴，徐光佑．人工智能及其应用．清华大学出版社，１９９６ Ｏ 。’０２。机器人谜Ｊ韭 ９ Ｓ．Ａｔｉｙａ．Ｇ．Ｄ．Ｈａｇｅｒ． Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ Ｖｉｓｉｏｎ－Ｂａｓｅｄ Ｒｏｂｏｔ Ｌｏｃａｌｉｚａ— ，４ ０．８ ｔｉｏｎ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｄｅｃ．１９９３ １０ Ｎ．Ａｙａｃｈｅ，Ｏ．Ｄ．Ｆａｕｇｅｒａｓ，”Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉＯｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ● Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔ， ｒｅｐｒｉｎｔｅｄ ｉｎ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｌｌ Ｒｏｂｏｔ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ，１９９０ １ ０ ＼ ７６０￣７６６３ ０ Ｏ．１ 一 １１王艳红，孙茂相，等．移动机器人在非结构环境中的运动规划．１９９５ 年中国智能自动化学术会议，增ｌＪＪｌ或减少的速度 ［收稿日期；２００５．１２．６］ 圈５速度控制熏一函数
