基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人系統(tǒng)及服務(wù)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人系統(tǒng)及服務(wù)方法，機器人利用語音識別模塊或者無線通信模塊接收來自服務(wù)對象的指令，確定需要抓取的目標以及服務(wù)對象的位置，并利用環(huán)境地圖進行目標和服務(wù)對象定位；機器人根據(jù)環(huán)境地圖，利用改進的蛙跳算法制定機器人的路徑規(guī)劃，計算出從機器人當(dāng)前位置到目標所要經(jīng)過的所有最佳位置點；機器人控制電機驅(qū)動器驅(qū)動機器人向前運動；到達目標，則驅(qū)動機械手運動到目標位置抓取目標，自動運行到服務(wù)對象處，完成服務(wù)工作。本發(fā)明提出的智能家庭服務(wù)機器人系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的智能性，靈活性，能節(jié)省運算時間和存儲量，提高了機器人路徑規(guī)劃的準確度，提高家庭服務(wù)機器人工作效率。
【專利說明】基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人系統(tǒng)及服務(wù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及家庭服務(wù)機器人，屬于未知環(huán)境中機器人的路徑規(guī)劃領(lǐng)域，是機器人技術(shù)與群體智能技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用，特別涉及基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著服務(wù)機器人技術(shù)和家庭應(yīng)用科技的不斷發(fā)展，家庭服務(wù)機器人越來越受到人們的關(guān)注，也越來越貼近人們的日常生活，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]在移動機器人相關(guān)技術(shù)的研究中，路徑規(guī)劃是一個重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵課題，是移動機器人研究領(lǐng)域的熱點問題，同時也是移動機器人導(dǎo)航中一個非常具有挑戰(zhàn)的問題。目前，路徑規(guī)劃的方法有很多種，比如人工勢場法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、蟻群算法等等。但傳統(tǒng)的人工勢場法存在幾大缺陷:存在陷阱區(qū)；在相近障礙物之間不能發(fā)現(xiàn)路徑；在狹窄通道中擺動；當(dāng)目標點附近處有障礙物時機器人無法到達目標點；遺傳算法具有很好的全局搜索能力，但運算速度慢、占據(jù)存儲空間大、容易陷入早熟等缺點；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有很好的學(xué)習(xí)能力，但當(dāng)障礙物較多且環(huán)境為動態(tài)時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)龐大且神經(jīng)元的閾值隨時間的變化而需要不斷地改變；蟻群算法收斂速度慢，容易陷入局部最優(yōu)。
[0004]蛙跳算法(SFLA)是Eusuff等人于2003年提出的一種基于群體的亞啟發(fā)式協(xié)同搜索群智能算法。該算法結(jié)合了模因算法和粒子群優(yōu)化算法的優(yōu)點。把蛙跳算法應(yīng)用在路徑規(guī)劃上是一個新的嘗試。通過模仿青蛙捕食的行為，可以使機器人找到一條到達目標的路徑，但該算法容易陷入局部最優(yōu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人系統(tǒng)及方法。對室內(nèi)環(huán)境信息進行獲取與處理后，采用改進的蛙跳算法對機器人進行路徑規(guī)劃，使得機器人在收到相應(yīng)指令后，能自己規(guī)劃出一條避開障礙物到達目標位置，抓取服務(wù)對象所需要的目標，并送到服務(wù)對象的手中，完成任務(wù)。
[0006]本發(fā)明實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)方案是:基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人系統(tǒng)，其特征在于:包括
[0007]—由可控運動的左、右輪帶動行走的機器人，機器人具有由電機驅(qū)動器驅(qū)動的機械手；
[0008]所述機器人前端攜帶機載攝像頭，用于掃描目標物體的高度信息；
[0009]所述機器人正前方設(shè)置一個或多個超聲波傳感器，用來探測機器人前進過程中的障礙物；
[0010]所述機器人通過無線通信模塊或者語音識別模塊接收服務(wù)對象的指令，確定目標；
[0011]還包括一安裝在室內(nèi)屋頂用于拍攝室內(nèi)環(huán)境圖片的攝像頭，攝像頭通過無線網(wǎng)路將拍攝的圖片發(fā)送給機器人；機器人對圖片進行處理后，建立室內(nèi)柵格地圖，并進行目標、服務(wù)對象以及機器人自身位置定位，然后通過改進的蛙跳算法進行路徑規(guī)劃，根據(jù)計算得到機器人所要經(jīng)過的最佳位置和機器人探測到的障礙物、目標位置以及自身位置，計算出機器人的左右輪的角速度，控制機器人到達目標點處。
[0012]2.基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人服務(wù)方法，其特征在于:包括如下步驟:
[0013](I)機器人攜帶有存儲設(shè)備，超聲波傳感器，機載攝像頭，語音識別模塊，無線通信模塊，電機驅(qū)動器和機械手；
[0014](2)由室內(nèi)屋頂安裝的攝像頭對室內(nèi)環(huán)境圖像進行獲取，并發(fā)送給機器人進行處理，建立環(huán)境地圖，完成機器人初始位置定位；
[0015](3)機器人建立自身運動學(xué)模型，其運動狀態(tài)變量為(x，y，θ)τ，其中(x，y)為機器人在平面坐標系中的坐標，Θ為機器人前進的方向角；
[0016](4)機器人利用語音識別模塊或者無線通信模塊接收來自服務(wù)對象的指令，確定需要抓取的目標以及服務(wù)對象的位置，并利用環(huán)境地圖進行目標和服務(wù)對象定位；
[0017](5)機器人根據(jù)環(huán)境地圖，利用改進的蛙跳算法制定機器人的路徑規(guī)劃，計算出從機器人當(dāng)前位置到目標所要經(jīng)過的所有最佳位置點；
[0018](6)機器人根據(jù)自身運動模型和下一個要到達的最佳位置點，計算其左、右輪的角速度，控制電機驅(qū)動器驅(qū)動機器人向前運動；
[0019](7)機器人判斷是否到達目標，如果沒有返回步驟(6)，如果到達目標，則利用機載攝像頭進行立體掃描，獲取目標離地面的垂直高度，驅(qū)動機械手運動到目標位置抓取目標；
[0020](8)機器人抓取目標后，自動運行到服務(wù)對象處，完成服務(wù)工作。
[0021]3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人服務(wù)方法，其特征在于:所述步驟(2)室內(nèi)屋頂安裝有攝像頭對室內(nèi)環(huán)境圖像進行獲取，并發(fā)送給機器人進行處理，建立環(huán)境地圖，完成機器人初始位置定位是指:
[0022](2a)室內(nèi)屋頂安裝有攝像頭進行室內(nèi)環(huán)境圖像拍攝，并將拍攝到的圖片經(jīng)無線通信模塊發(fā)送給機器人，機器人接收到圖片后，首先用尺寸相同的柵格對圖像進行劃分，并依據(jù)事先存儲好的常用物體形狀以及地板的顏色樣式知識建立環(huán)境柵格地圖，若某一個柵格內(nèi)不含任何障礙物，則為自由柵格，反之為障礙物柵格；自由空間和障礙物均可表示成柵格塊的集合，將障礙物柵格集記為O;
[0023](2b)采用直角坐標法對柵格進行標識:以柵格地圖左上角為坐標原點，水平向右方向為X軸正方向，豎直向下方向為Y軸正方向，每一個柵格區(qū)間對應(yīng)坐標軸上的一個單位長度，任何一個柵格均用直角坐標(X，y)唯一標識，從而將環(huán)境地圖用一個二維數(shù)矩陣map (Μ, N)表示:
[0024]
,、f I,有障礙物,輝(p’q) = io,其他。
[0025]4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人服務(wù)方法，其特征在于:所述步驟(3)的具體步驟為:[0026](3a)設(shè)x，y分別為機器人在平面坐標系中的橫、縱坐標，Θ為機器人的方向角，V是機器人質(zhì)心的速度，ω是機器人的角速度，則得到機器人運動的非完整約束為
【權(quán)利要求】
1.基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人系統(tǒng)，其特征在于:包括 一由可控運動的左、右輪帶動行走的機器人，機器人具有由電機驅(qū)動器驅(qū)動的機械手; 所述機器人前端攜帶機載攝像頭，用于掃描目標物體的高度信息； 所述機器人正前方設(shè)置一個或多個超聲波傳感器，用來探測機器人前進過程中的障礙物； 所述機器人通過無線通信模塊或者語音識別模塊接收服務(wù)對象的指令，確定目標； 還包括一安裝在室內(nèi)屋頂用于拍攝室內(nèi)環(huán)境圖片的攝像頭，攝像頭通過無線網(wǎng)路將拍攝的圖片發(fā)送給機器人；機器人對圖片進行處理后，建立室內(nèi)柵格地圖，并進行目標、服務(wù)對象以及機器人自身位置定位，然后通過改進的蛙跳算法進行路徑規(guī)劃，根據(jù)計算得到機器人所要經(jīng)過的最佳位置和機器人探測到的障礙物、目標位置以及自身位置，計算出機器人的左右輪的角速度，控制機器人到達 目標點處。
2.基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人服務(wù)方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)機器人攜帶有存儲設(shè)備，超聲波傳感器，機載攝像頭，語音識別模塊，無線通信模塊，電機驅(qū)動器和機械手； (2)由室內(nèi)屋頂安裝的攝像頭對室內(nèi)環(huán)境圖像進行獲取，并發(fā)送給機器人進行處理，建立環(huán)境地圖，完成機器人初始位置定位； (3)機器人建立自身運動學(xué)模型，其運動狀態(tài)變量為(x，y，θ)τ，其中(x，y)為機器人在平面坐標系中的坐標，Θ為機器人前進的方向角； (4)機器人利用語音識別模塊或者無線通信模塊接收來自服務(wù)對象的指令，確定需要抓取的目標以及服務(wù)對象的位置，并利用環(huán)境地圖進行目標和服務(wù)對象定位； (5 )機器人根據(jù)環(huán)境地圖，利用改進的蛙跳算法制定機器人的路徑規(guī)劃，計算出從機器人當(dāng)前位置到目標所要經(jīng)過的所有最佳位置點； (6)機器人根據(jù)自身運動模型和下一個要到達的最佳位置點，計算其左、右輪的角速度，控制電機驅(qū)動器驅(qū)動機器人向前運動； (7)機器人判斷是否到達目標，如果沒有返回步驟(6)，如果到達目標，則利用機載攝像頭進行立體掃描，獲取目標離地面的垂直高度，驅(qū)動機械手運動到目標位置抓取目標； (8)機器人抓取目標后，自動運行到服務(wù)對象處，完成服務(wù)工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人服務(wù)方法，其特征在于:所述步驟(2)室內(nèi)屋頂安裝有攝像頭對室內(nèi)環(huán)境圖像進行獲取，并發(fā)送給機器人進行處理，建立環(huán)境地圖，完成機器人初始位置定位是指: (2a)室內(nèi)屋頂安裝有攝像頭進行室內(nèi)環(huán)境圖像拍攝，并將拍攝到的圖片經(jīng)無線通信模塊發(fā)送給機器人，機器人接收到圖片后，首先用尺寸相同的柵格對圖像進行劃分，并依據(jù)事先存儲好的常用物體形狀以及地板的顏色樣式知識建立環(huán)境柵格地圖，若某一個柵格內(nèi)不含任何障礙物，則為自由柵格，反之為障礙物柵格；自由空間和障礙物均可表示成柵格塊的集合，將障礙物柵格集記為O; (2b)采用直角坐標法對柵格進行標識:以柵格地圖左上角為坐標原點，水平向右方向為X軸正方向，豎直向下方向為Y軸正方向，每一個柵格區(qū)間對應(yīng)坐標軸上的一個單位長度，任何一個柵格均用直角坐標(x，y)唯一標識，從而將環(huán)境地圖用一個二維數(shù)矩陣
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人服務(wù)方法，其特征在于:所述步驟(3)的具體步驟為:(3a)設(shè)x，y分別為機器人在平面坐標系中的橫、縱坐標，Θ為機器人的方向角，V是機器人質(zhì)心的速度，ω是機器人的角速度，則得到機器人運動的非完整約束為.
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人服務(wù)方法，其特征在于:所述步驟(5)中的具體步驟為: (4a)參數(shù)初始化:設(shè)種群內(nèi)青蛙總的個數(shù)為N，子種群數(shù)為k，子種群內(nèi)青蛙的個數(shù)為n，滿足N=k*n;局部搜索迭代次數(shù)為L，全局迭代次數(shù)為G，青蛙所允許移動距離的最大步為 Smax ； (4b)生成初始蛙群:隨機生成N只青蛙作為初始蛙群P= (X1, X2,...XN}，第j只青蛙代表第j個解，用 表示，其中，O ^ j ^ N, s表示每個解的維數(shù)； (4c)計算適應(yīng)度值:定義適應(yīng)度函數(shù)如下所示:

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人服務(wù)方法，其特征在于:所述步驟(4d)中隨機分組的方法是指: 整個蛙群中，前k只青蛙分別隨機進入k個族群，每只青蛙只能進入一個族群，然后，第k+Ι只至2k只青蛙隨機進入k個族群，每只青蛙只能進入一個族群，第2k+l只至3k只青蛙隨機進入k個族群，每只青蛙只能進入一個族群，依次類推，一直到所有的青蛙都分配完成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人服務(wù)方法，其特征在于:所述步驟(4e)中對最差青蛙個體采用中值策略更新，具體步驟如下: (6a)設(shè)每個族群的中心點為Xz= (xzl, xz2,…，xzs)，則
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于蛙跳算法的智能家庭服務(wù)機器人服務(wù)方法，其特征在于:所述步驟(6)中，具體步驟如下: (7a)機器人根據(jù)蛙跳算法計算得到到達目標點所要經(jīng)過的所有最佳位置，機器人根據(jù)當(dāng)前位置和下一步的位置，利用公式(I)和公式(2)計算出；，i和 (7b)機器人根據(jù)計算得到的；、j和利用公式(3)算出機器人的左右輪的角速度wL和ω U，控制機器人運動。
【文檔編號】G05D1/12GK103699136SQ201410015086
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】倪建軍, 殷霞紅, 李新云, 陳俊風(fēng), 范新南 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)