Optymalna strategia przejazdu monocykla przez zbiór punktów referencyjnych w środowisku kolizyjnym

pol Artykuł w języku polskim DOI: 10.14313/PAR_212/88

Tomasz Gawron , wyślij Maciej Marcin Michałek Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów

Pobierz Artykuł

Streszczenie

W artykule przedstawiono strategię optymalnej realizacji ruchu robota mobilnego o kinematyce monocykla przez zbiór punktów referencyjnych w środowisku kolizyjnym, które ograniczone jest przez znaną a priori mapę jego granic. Proponowane rozwiązanie wynika z połączenia algorytmu sterowania VFO zmodyfikowanego dla zadania unikania kolizji oraz algorytmu optymalizacji, polegającego na symulacji robotów wirtualnych. W artykule przedstawiono analizę przestrzeni decyzyjnej tworzonej przez parametry strategii unikania kolizji oraz zaproponowano jej reprezentację w postaci grafu skierowanego. Zaproponowano dwie metody eliminacji potencjalnych cyklicznych ścieżek robota w przypadku skomplikowanych układów przeszkód. Przedstawiono również oszacowanie złożoności pamięciowej algorytmu optymalizacji ruchu. Efektywność proponowanej strategii zilustrowano wybranymi wynikami badań symulacyjnych.

Słowa kluczowe

kinematyka, monocykl, optymalizacja, predykcja, unikanie kolizji, VFO

Optimal waypoint following strategy for unicycle in cluttered environment

Abstract

A strategy for realization and optimization of unicycle’s motion during waypoint following task in a highly cluttered environment is presented in this paper. Environment boundaries are assumed to be known beforehand and represented as a map. Proposed system is a marriage of VFO controller, collision avoidance strategy proposed before and novel optimization algorithm based on simulation of multiple virtual robots. Properties of decision space formed by parameters of assumed collision avoidance strategy are analyzed. Directed graph based representation of decision space is proposed and analyzed. Design of underlying optimization algorithm stems from this analysis. Design of the algorithm is followed by memory complexity estimation. Additionally two methods for elimination of cyclic robot paths in extremely complex obstacle configurations are proposed. Effectiveness of presented approach is illustrated by selected results of extensive simulation experiments.

Keywords

collision avoidance, optimization, prediction, unicycle, VFO

Bibliografia

  1. M. Michałek, W. Kowalczyk, K. Kozłowski, “Strategia śledzenia trajektorii z unikaniem kolizji dla robota mobilnego klasy (2,0),” Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika, z. 175, t. 2, 381–390, 2010.
  2. M. Michałek and K. Kozłowski, “Motion planning and feedback control for a unicycle in a way point following task: The VFO approach,” Int. J. Appl. Math. Comput. Sci., vol. 19, no. 4, 533–545, 2009.
  3. T. Gawron, “Planowanie ruchu i sterowanie robotem mobilnym dla zadania przejazdu przez zbiór punktów w środowisku kolizyjnym,” Master’s thesis, Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów, 2013.
  4. D. Fox, W. Burgard, and S. Thrun, “The dynamic window approach to collision avoidance,” Robotics Automation Magazine, IEEE, vol. 4, no. 1, 23–33, 1997.
  5. Y. Cen, L. Wang, and H. Zhang, “Real-time obstacle avoidance strategy for mobile robot based on improved coordinating potential field with genetic algorithm,” [in:] IEEE International Conference on Control Applications, 2007, 415–419.
  6. T. Schouwenaars, J. How, and E. Feron, “Receding horizon path planning with implicit safety guarantees,” [in:] American Control Conference, 2004. Proceedings of the 2004, vol. 6, 2004, 5576–5581.
  7. M. Kim and Y. Kim, “Multiple UAVs nonlinear guidance laws for stationary target observation with waypoint incidence angle constraint,” International Journal of Aeronautical and Space Sciences, vol. 14, no. 1, 67–74, 2013.
  8. D. Nelson, D. Barber, T. McLain, and R. Beard, “Vector field path following for miniature air vehicles,” IEEE Transactions on Robotics, vol. 23, no. 3, 519–529, 2007.
  9. C. Kyung Hyun, N. Minh Ngoc, R. M. Asif Ali, “A real time collision avoidance algorithm for mobile robot based on elastic force,” International Journal of Aerospace and Mechanical Engineering, vol. 2, no. 4, 230–234, 2008.
  10. M. Michalek and K. Kozłowski, “Vector-fieldorientation feedback control method for a differentially driven vehicle,” Control Systems Technology, IEEE Transactions on, vol. 18, no. 1, 45–65, 2010.