Optimal Robot Path Planning using Particle Swarm Optimization Algorithm

Parçacık Sürü Optimizasyon Algoritması Kullanılarak Optimum Robot Yolu Planlama

Abstract

The problem of robot path planning is one of the major problems in the field of robotics and automation. Since the high working speed of the robots requires extreme performance from the control systems, accuracy of the robot movement and path planning is important. In the robot path planning process, from a starting point to the end point, the robot is intended to reach the destination by drawing a geometric path as soon as possible without getting stuck on the existing obstacles. The robot path planning problem is classified as difficult due to the fact that there are many path options in the searched space space and the shortest distance between these paths is decided. Classical robot path planning methods have difficulty finding solutions as the problem becomes more complex. Therefore, in recent years, the importance of heuristic methods for optimum solution of the path planning problem in the field of robotics has been increasing. In the literature, many heuristic algorithms have been used for different applications of the problem for robot path planning problem. In this study, the path planning process is simulated by using Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm in order to reach the end point in order to use the shortest path without hitting the obstacles encountered by a robot at the starting point until it reaches the destination. The shortest robot path was calculated by using PSO algorithm according to three different endpoints B (4,6), C (6,8) and D (8,10), whose starting point is fixed A (0,0). Simulations were also performed for each different destination by changing the position of the obstacles in the study. In this way, robot path planning was tried to be solved in three different positions. Since the obstacles used in the study are circular, the mathematical formula of the distance between a point and a line was used to find the distance between the starting and ending points and thus, the circular obstacles were tried to be avoided. The robot path planning problem solving with PSO algorithm is shown with tables and graphs for each case. According to the results of the study with PSO, the shortest calculations of the robot path were found in three different cases. In this way, it is shown that PSO algorithm solutions are applicable for robot path planning.

Özet

Robot yolu planlama problemi robotik ve otomasyon alanı için önemli problemlerden bir tanesidir. Robotların yüksek çalışma hızı,kontrol sistemlerinden aşırı performans gerektirdiği için robot hareketinin doğruluğu ve yol planlaması önem arz etmektedir. Robot yolplanlama işleminde, bir başlangıç noktasından son noktaya kadar robotun var olan engellere takılmadan en kısa bir şekilde geometrikbir yol çizerek varış noktasına ulaşması amaçlanır. Robot yol planlama problemi arama yapılan alan uzayında birçok yol seçeneğininbulunması ve bu yollar arasında en kısa mesafenin karar verilmeye çalışılması nedeniyle zor problemler sınıfına girmektedir. Klasikrobot yolu planlama yöntemleri problem karmaşıklaştıkça çözüm bulmakta zorlanmaktadır. Bundan dolayı son yıllarda robotik alanındayol planlama probleminin optimum çözümü için sezgisel yöntemlerin önemi artmaktadır. Robot yolu planlama problemi için literatürdebirçok sezgisel algoritma probleminin farklı uygulamaları için kullanılmıştır. Bu çalışmada başlangıç noktasında yer alan bir robotunvarış noktasına gidene kadar karşılaşacağı engellere çarpmadan en kısa yolu kullanacak şekilde bitiş noktasına ulaşması için ParçacıkSürü Optimizasyon (PSO) algoritması kullanılarak yol planlama işleminin simülasyonu yapılmıştır. Başlangıç noktası sabit A(0,0) olanve üç farklı bitiş noktalarına B(4,6), C(6,8) ve D(8,10) göre PSO algoritması ile en kısa robot yolu hesaplanmıştır. Aynı zamanda herbir farklı varış noktası için çalışmada engellerin konumları da değiştirilerek simülasyon işlemi yapılmıştır. Bu şekilde üç farklı konumdarobot yolu planlaması çözülmeye çalışılmıştır. Çalışmada kullanılan engeller daire şeklinde olduğundan başlangıç ve bitiş noktalarıarasındaki mesafeyi bulmak için bir nokta ve bir doğruya uzaklığının matematiksel formülü kullanılmış ve bu şekilde daireselengellerden kaçınılmaya çalışılmıştır. PSO algoritması ile yapılan robot yolu planlama problem çözümü her bir durum için tablolar vegrafikler ile gösterilmiştir. PSO ile yapılan çalışma sonuçlarına göre üç farklı durumda robot yolunun en kısa hesaplamalarıbulunmuştur. Bu şekilde PSO algoritması çözümlerinin robot yolu planlaması için uygulanabilir olduğu gösterilmiştir.