Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama

Yıldırım, Mustafa Yusuf; Akay, Rustu

doi:10.17341/gazimmfd.802646

Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama

Mustafa Yusuf Yıldırım, (Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Kayseri, Türkiye)

Rüştü Akay (Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Kayseri, Türkiye)

Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi

6 2

Yıl: 2021 Cilt: 36 Sayı: 3 Sayfa Aralığı: 1551 - 1564 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.802646 İndeks Tarihi: 11-11-2022

Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama

Öz:

Günümüzde mobil robotların hedef noktalara optimum maliyetle ulaşma problemi önemli bir çalışma sahası haline gelmiştir. Optimum maliyet çalışmalarda farklılık göstermekle beraber genel olarak, hedefe ulaşmak için geçen süre, mesafe, harcanan enerji veya bunların bir arada değerlendirildiği değişik kombinasyonlar olabilmektedir. Özellikle çok engelli karmaşık ortamlarda problemlerin çözümünün kabul edilebilir sürelerde gerçekleştirilebilmesi için genelde algoritma tarafında iyileştirmeler yapılmaktadır. Bu çalışmada ise problem tarafında iyileştirmeye odaklanılmıştır. Bu doğrultuda, statik engelli ve iki boyutlu ortamlarda engellerin kümelenmesiyle ortam karmaşıklığının azaltılması ve bu sayede optimizasyon algoritmalarının çalışma hızının artırılması amacıyla, bir metasezgisel algoritma ve bir kümeleme algoritmasının bir arada kullanıldığı hibrit bir model önerilmektedir. Önerilen model için öncelikle detaylı bir analiz gerçekleştirilmiştir. Bu analizde metasezgisel algoritma olarak parçacık sürü optimizasyonu (Particle Swarm Optimization, PSO) ve kümeleme algoritması olarak k-ortalamalar kümeleme algoritması kullanılmıştır. Çeşitli kümeleme oranları ile test edilen bu analiz sonucunda kümeleme oranı arttıkça en kısa mesafeli yol açısından küçük kayıplar elde edilmiş ancak algoritmanın çalışma hızı bu kayıpları fazlasıyla telafi edebilecek seviyede artmıştır. Ayrıca önerilen modelin etkinliği farklı metasezgisel ve kümeleme algoritmaları üzerinde de karşılaştırmalı değerlendirilmiştir. Sonuçlar, rastgele konumlanmış çok sayıda engelin bulunduğu iki boyutlu ortamlar için yol planlama algoritmalarının çalışma hızı önerilen model sayesinde artırılabileceğini göstermiştir.

Anahtar Kelime: Mobil robot yol planlama optimizasyon kümeleme çalışma hızı

Fast path planning in multi-obstacle environments for mobile robots

Öz:

Nowadays, the problem of mobile robots to reach target points with optimum cost has become an important field of study. Although the optimum cost varies in studies, in general, time spent, distance, energy spent, or different combinations in which these are evaluated together. Especially in complex environments with a large number of obstacles, improvements are generally made on the algorithm side in order to solve the problems in acceptable time. This study focuses on improvement on the problem side. In this context, a hybrid model is proposed in which a metaheuristic algorithm and a clustering algorithm are used together in order to reduce the complexity of the environment by clustering the obstacles in static and two-dimensional environments and thus increase the running speed of optimization algorithms. For the proposed model, a detailed analysis has been performed first. In this analysis, particle swarm optimization (PSO) as metaheuristic algorithm and k-means clustering algorithm are used as clustering algorithm. As a result of this analysis, which was tested with various clustering rates, as the clustering rate increased, small losses were obtained in terms of shortest distance path, but the running speed of the algorithm increased at a level that could compensate these losses. In addition, effectiveness of the proposed model was evaluated comparatively on different metaheuristic and clustering algorithms. The results show that speed of path planning algorithms can be increased by the proposed model for two-dimensional environments with a large number of randomly located obstacles.

Anahtar Kelime: Mobile robot path planning optimization clustering running speed

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık

1. Chen J.L., Liu J.S., Lee W.C., A recursive algorithm for on-line clustering obstacles cluttered in dynamic environments, Journal of Intelligent and Robotic Systems, 33, 209-230, 2002.
2. Ajeil F.H., Ibraheem I.K., Azar A.T., Humaidi A.J., Autonomous navigation and obstacle avoidance of an omnidirectional mobile robot using swarm optimization and sensors deployment, International Journal of Advanced Robotic Systems, 17 (3), 1-15, 2020.
3. Ajeil F.H., Ibraheem I.K., Azar A.T., Humaidi A.J., Grid-based mobile robot path planning using aging- based ant colony optimization algorithm in static and dynamic environments, Sensors, 20 (7), 1-26, 2020.
4. Kim C., Kim Y., Yi H., Fuzzy analytic hierarchy process-based mobile robot path planning, Electronics, 9 (2), 1-18, 2020.
5. Kim C., Suh J., Han J.H., Development of a hybrid path planning algorithm and a bio-ınspired control for an omni-wheel mobile robot, Sensors, 20 (15), 1-22, 2020.
6. Li X., Zhao G., Li B., Generating optimal path by level set approach for a mobile robot moving in static/dynamic environments, Applied Mathematical Modelling, 85, 210-230, 2020.
7. Dirik M., Kocamaz A.F., Castillo O., Global path planning and path-following for wheeled mobile robot using a novel control structure based on a vision sensor, International Journal of Fuzzy Systems, 22 (6), 1880- 1891, 2020.
8. Zhong X., Tian J., Hu H., Peng X., Hybrid path planning based on safe A* algorithm and adaptive window approach for mobile robot in large-scale dynamic environment, Journal of Intelligent & Robotic Systems, 99, 65-77, 2020.
9. Jung J.H., Kim D.H., Local path planning of a mobile robot using a novel grid-based potential method, International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, 20 (1), 26-34, 2020.
10. Wu M., Dai S. L., Yang C., Mixed reality enhanced user ınteractive path planning for omnidirectional mobile robot, Applied Sciences, 10 (3), 1-16, 2020.
11. Arango G.D., Leal H.V., Martinez L.H., Fernandez V.M.J., Jimenez A.H., Ambrosio R.C., Chua J.S., Cholula H.D.C., Mendez S.H., Multiple-target homotopic quasi-complete path planning method for mobile robot using a piecewise linear approach, Sensors, 20 (11), 1-47, 2020.
12. Wang X., Mizukami Y., Tada M., Matsuno F., Navigation of a mobile robot in a dynamic environment using a point cloud map, Artificial Life and Robotics, 1- 11, 2020.
13. Elmi Z., Efe M.Ö., Yang C., Online path planning of mobile robot using grasshopper algorithm in a dynamic and unknown environment, Journal of Experimental & Theoretical Artificial Intelligence, 1-19, 2020.
14. Zhang L., Zhang Y., Li Y., Path planning for indoor mobile robot based on deep learning, Optik, 209, 1-17, 2020.
15. Li Y., Huang Z., Xie Y., Path planning of mobile robot based on improved genetic algorithm, 2020 3rd International Conference on Electron Device and Mechanical Engineering (ICEDME), Suzhou, China, 691-695, 1-3 Mayıs, 2020.
16. Ali H., Gong D., Wang M., Dai X., Path planning of mobile robot with improved ant colony algorithm and MDP to produce smooth trajectory in grid-based environment, Frontiers in Neurorobotics, 14, 1-13, 2020.
17. Kıvanç Ö.C., Mungan T.E., Atila B., Tosun G., An integrated approach to development of unmanned ground vehicle: design, analysis, implementation and suggestions, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34 (4), 1957-1973, 2019.
18. Yılmaz N., Gencer C.T., Integration of sensor vision capabilities on UAV flight route optimization: A linear model and a heuristic algorithm proposal, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34 (4), 1917-1928, 2019.
19. Zhao F., Hung D. L. S., Wu S., K-means clustering- driven detection of time-resolved vortex patterns and cyclic variations inside a direct injection engine, Applied Thermal Engineering, 180, 1-13, 2020.
20. Aytaç E., Unsupervised learning approach in defining the similarity of catchments: Hydrological response unit based k-means clustering, a demonstration on Western Black Sea Region of Turkey, International Soil and Water Conservation Research, 8, 321-331, 2020.
21. Rehman T.U., Mahmud Md.S., Chang Y.K., Jin J., Shin J., Current and future applications of statistical machine learning algorithms for agricultural machine vision systems, Computers and Electronics in Agriculture, 156, 585-605, 2019.
22. Tang Y., Zhou R., Sun G., Di B., Xiong R., A novel cooperative path planning for multirobot persistent coverage in complex environments, IEEE Sensors Journal, 20 (8), 4485-4495, 2020.
23. Peng Y., Qu D., Zhong Y., Xie S., Luo J., The obstacle detection and obstacle avoidance algorithm based on 2- D lidar, International Conference on Information and Automation, Lijiang, China, 1648-1653, 8-10 Ağustos, 2015.
24. A. Ayari, S. Bouamama, A new multiple robot path planning algorithm: dynamic distributed particle swarm optimization, Robotics and Biomimetics, 4 (8), 2017.
25. E. Chołodowicz, D. Figurowski, Mobile robot path planning with obstacle avoidance using particle swarm optimization, Pomiary Automatyka Robotyka, 21 (3), 59-68, 2017.
26. J. Hernandez-Barragan, Mobile robot path planning based on conformal geometric algebra and teaching- learning based optimization, IFAC-PapersOnLine, 51 (13), 338-343, 2018.
27. M. A. Contreras-Cruz, V. Ayala-Ramirez, U. H. Hernandez-Belmonte, Mobile robot path planning using artificial bee colony and evolutionary programming, Applied Soft Computing, 30, 319-328, 2015.
28. A. Zamuda, J. D. H. Sosa, Differential evolution and underwater glider path planning applied to the short- term opportunistic sampling of dynamic mesoscale ocean structures, Applied Soft Computing, 24, 95-108, 2014.
29. C. Lamini, S. Benhlima, A. Elbekri, Genetic algorithm based approach for autonomous mobile robot path planning, Procedia Computer Science, 127, 180-189, 2018.

APA	Yıldırım M, Akay R (2021). Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama. , 1551 - 1564. 10.17341/gazimmfd.802646
Chicago	Yıldırım Mustafa Yusuf,Akay Rustu Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama. (2021): 1551 - 1564. 10.17341/gazimmfd.802646
MLA	Yıldırım Mustafa Yusuf,Akay Rustu Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama. , 2021, ss.1551 - 1564. 10.17341/gazimmfd.802646
AMA	Yıldırım M,Akay R Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama. . 2021; 1551 - 1564. 10.17341/gazimmfd.802646
Vancouver	Yıldırım M,Akay R Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama. . 2021; 1551 - 1564. 10.17341/gazimmfd.802646
IEEE	Yıldırım M,Akay R "Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama." , ss.1551 - 1564, 2021. 10.17341/gazimmfd.802646
ISNAD	Yıldırım, Mustafa Yusuf - Akay, Rustu. "Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama". (2021), 1551-1564. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.802646

APA	Yıldırım M, Akay R (2021). Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36(3), 1551 - 1564. 10.17341/gazimmfd.802646
Chicago	Yıldırım Mustafa Yusuf,Akay Rustu Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 36, no.3 (2021): 1551 - 1564. 10.17341/gazimmfd.802646
MLA	Yıldırım Mustafa Yusuf,Akay Rustu Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.36, no.3, 2021, ss.1551 - 1564. 10.17341/gazimmfd.802646
AMA	Yıldırım M,Akay R Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2021; 36(3): 1551 - 1564. 10.17341/gazimmfd.802646
Vancouver	Yıldırım M,Akay R Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2021; 36(3): 1551 - 1564. 10.17341/gazimmfd.802646
IEEE	Yıldırım M,Akay R "Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 36, ss.1551 - 1564, 2021. 10.17341/gazimmfd.802646
ISNAD	Yıldırım, Mustafa Yusuf - Akay, Rustu. "Mobil robotlar için çok engelli ortamlarda hızlı yol planlama". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 36/3 (2021), 1551-1564. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.802646