Intern ati o n a l Jo urn a o f  R o botics   a nd Au tom a tion   (I JR A)   Vol .   3 ,  No . 2,  J une   2 0 1 4 ,  pp . 10 7~ 11 1   I S SN : 208 9-4 8 5 6           1 07     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJRA  An Opti mized Algorithm Bas e on Random Tree and Particle  Swarm      Zh o u  F e ng   Shandong Institu te of  Com m e rce  and T echnolo g y , Shang Dong Ji Nan, 250103 , C h ina      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Aug 11, 2013  Rev i sed  Feb  20 , 20 14  Accepted  Mar 10, 2014      A based on R a pidly - explo r ing  Random  Tree ( RRT) and  Particle Swarm  Optimizer (PSO) for path plann i ng of  the robot is proposed. First the grid   method is built  to describ e   the  working  space o f  the mobile rob o t, th en  the  Rapidly - exploring Random Tree algorith m is  used to obtain the glob al  navigation path, and the Parti c l e  Sw arm  Optimizer  algor ithm  is adopted  t o   get th e better p a th.Computer ex periment  results demonstrate th at this nov el  algorithm can plan an optimal p a th rap i dly   in a cluttered enviro nment.  The  successful obstacle  avoidan ce is achie v e d, and  the model is  robust and  performs reliably .   Keyword:  Particle swarm op ti m i zer   Pat h  pl an ni n g   R a pi dl y - ex pl or i ng ra nd om   t r ee  Ro bo t   Copyright ©  201 4 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Zh ou  Fe ng   Sh an don g In stitu te of Co mm e r ce an d Tech no log y , Sh an gDo n g  Ji Nan ,   25 01 03 , Ch i n Em a il: zh o u feng k e y @ 163 .com       1.   INTRODUCTION  Robot path  pl anni ng m eans in the  working space, a pat h  is found  with the robot starting from  a   poi nt , r o un di n g  b a r r i e rs a n d  arri vi n g  t o  t h dest i n at i o n.  C o m m onl y ,  there a r e m a ny  pat h fo ro bot   t o   accom p lish the task, but in fa ct the best  path is selected according to some  guide line.  These guide li nes are:  sho r t e st   pat h ,  l east  ene r gy  co ns um i ng o r  s h o r t e st  t i m e.So , t h e r o b o t  pat h   pl an n i ng i s  a c o ns t r ai ned   opt i m i zati on  p r o b l e m . R obot   pat h   pl an ni ng   has  bee n  a n  ac t i v e resea r ch  a r ea, a n d m a ny  m e t hod have  bee n   devel ope d t o  tackle this problem ,  such as  rolling pla n  [1], RRT  m e thods [2],  neural  networks a p proache s   [3] , GA  m e t hod s[4]  a n d  AC al go ri t h m  [5]  so  on . T h ese  w o rks  ha ve m a de  som e  i nno vat i v e ac hi evem ent s .b ut   th e co mm o n  sh ortag e  is th at  so l v ing  tim e i s  too  long , effi cien cy is no hig h .  Althou gh  In [6 ] th e al g o rith can achi e ve ra pi opt i m i z at i on, b u t  beca use  a ro bot   go  do gl eg pat h  i n  f r ee zone , t h e pat h   m a y  not  be o p t i m a l .   Gri d  m e t hod  i s  o n of  t h e  co m m onl y  used   m odel i ng m o d e l i ng m e t hod but  i t   has  a  def ect :  a r o b o t   go   do gl e g   p a th  i n   free  zon e Th e dog leg is subo p tim al  p a th s and   robot arriv a l tim e w ill in crease.  In  t h i s   pape r,   base on  R a pi dl y - e xpl ori n g  R a n d o m  Tree (R R T )  an Part i c l e  Swa r m  Opt i m i zer  (PS O for pat h  planning of  the robot is  propose d . First the  gri d  m e t hod is built to des c ribe the working  spac e   o f  th e m o b ile ro bo t, th en  th e Rap i d l y-exp l oring  Ra nd o m  Tree al gori t hm  i s  used  to  ob tain  th e g l ob al  navi gat i on  pat h , an d t h e Pa rt i c l e  Swarm   Opt i m i zer al g o ri t h m  i s  adopt ed t o   get  t h e bet t e r pat h . The   effective n ess a n efficiency of  t h e  p r o p o se al go ri t h m  i s  dem onst r at ed by   sim u l a t i on st u d i es.      2.   DESC RIPTI O N OF  E N V I RO NME N T   To ens u re t h at  t h e pat h  i s  not  t oo cl ose t o  any  of t h obst acl es, t h di m e nsi on of  t h e ro bot  i s   rep r ese n t e d by  a poi nt , an t h e bo u nda ri es  of t h e o b st ac l e s are expa n d ed acc or di n g  t o  t h e pl us o f  t h m a xim u m  di stance occ u pi ed  by  ro b o t s cr o ss.Let  AS   b e  th e fin ite wal k in g  area of  Rob  in  a two-d i men s ion  pl ane a nd  AS  i s  a p r o t ru d i n g   p o l ygon , in   wh ich  th er e ar f i n ite nu m b er s o f  static ob stacles  b 1 , b 2 …… , b n Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 089 -48 56  IJR A    V o l .  3,  No . 2,  J u ne 2 0 14:    1 0 7  – 11 1   10 8 Th e task  is to   p l an  a m u ch  sh orter  p a th   fo r th e rob o t  to walk  fro m begin g to end g co llisio n-freely. And   0  is  th e ri g h t -ang led  co ord i n a te syste m  in  AS  who s e orig in  i s  th e left and  u p p e r co rn er of  AS and  its lan d s cap ori e nt at i on i s  X-a x es, i t s  po r t rai t  i s  Y-axes.  The m a xim a l   val u es  of x a n d y  are  ma x x and ma x y , re spectively.  The n  x an d y  can be di vi de d  usi n g δ as an  unit, as a result, all grids can  be f o rm ed one  by  one ( f i g . 1 ) .  The  num bers  of e ach  row a nd col u m n  are  a x R x N / ma x  and a y R y N / ma x , res p ectively ,  (i AS  is   co nsid ered  as t h e arb itrary shap e, so m e  g r id -ob s tacles  can   b e  filled  on  the b oun d a ry o f   AS to  m a k e  it  sq uare  or rect a ngl e ) whe r  1, 2 , , i bi n  hol ds one  or m o re grat i n gs,  whe n  i t   i s  not  a ful l  one, t h ey  are   considere d  a s  t h full  one The m obi l e  ro bot  e nvi ro nm ent  i s  rep r ese n t e d by   or derl y  n u m b ered  gri d s  C ={1, 2, 3,… , M }, eac h of  wh ich  rep r esents a lo catio n  in th e env i ro n m en t.  g ( , y ) also represe n ts a location i n  the  envi ronm ent, x  is th ro w num ber, y  is th e co lu m n n u m b e r.  In t h gri d  ba sed r o b o t  en vi ro nm ent ,  t h e num ber  and  g ( , y ) de n o t e  gri d  a nd e nvi ro nm ent  coor d i nat e respectively,t h us     x i =(( i -1 ) m o d   N x)+ 1     y i =(int)(( i -1) / N x)+ 1  (1 )           Fi gu re  1.  R e l a t i ons hi p  bet w ee gri d  c o o r di na t e s an d se que n ce n u m b er      3.   RRT -PS O   Gri d  m e thod is  sim p le co m m on m odeling m e thods. But  its dra w back is that partition size is difficult   to  con t ro l, th g r i d  size is smaller, ob stacles are said  t o  b e   m o re p r ecise,  b u t  at th e sam e  ti m e  i t  will ta k e  up   lot of storage s p ace; the gri d  size is  too large, the planne d path is no t accurate. T h ere f ore whe n  planni ng the   preci se  pat h , t h gri d  m e t hod ca nn ot   be  u s ed.T res o l v e  t h e s h o r t a ge  i n  t h i s   pa per  t h e R a pi dl y - ex pl o r i n g   Ran d o m  Tree alg o rith m  is u s ed  to   ob tain th g l ob al  na vi gat i o pat h , a nd  t h Part i c l e  Swarm  Opt i m i zer  alg o rith m  is a d op ted  t o  adjust m e n t  th e in tersectio n   po in o f  each  in itial p a th  an d  the bo und ary of th e g r id.   Each di m e nsi on  of eac di m e nsi on  rep r e s ent s  a p o i n t   of i n t e rsect i o n .  The c o n n ect i on  whi c h f r o m  l o d i m e n s io n  to  h i gh   d i m e n s io n   will con s titute a n e w p a t h , After sev e ral  iteratio n s  t h ap pro x i m a te o p t i m al   g l ob al p a t h   will b e   find ed. The op ti m i zatio n  task  is to ad ju st th e po sition   o f   x d  to   sho r ten  th e leng th of p a t h   and  get the optim i zed (or acc eptable)  path  in the pla nni ng  space.T h e a d just proce ss of  x d  i s  show n i n   Fi gu re   2. A n y   x d  can  slid e freely alo n g  th e free link  t h at it lies on . Path  Cod i ng  Meth od   n e w path   form ed  b y  th slid of  x d  on  lin x d   mi n x d ma x  will  no t in tersect  with  th e ob stac les. After  proc essing eve r x d t h e ne w pat h  no de s   sequ en ce fo rm s a  n e w co llisio n free  p a th   for th e ro bo t.          Fi gu re 2.   Pat h  C odi ng   M e t h o d       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J RA I S SN 208 9-4 8 5 6     A n o vel   pat pl an ni n g  f o r r o b o t s   base d   o n  r a pi dl y-ex pl ori n g r a n d o m  t r ee  an p a rt i c l e  sw arm…  ( Z h o u   Fen g )   10 9 Fo r co nv en ien t ly d e scrib e we m a k e  th e fo llowing   d e fi n itio n:  Defi n itio n   1 .   Th e d i stan ce between  an y two  grid  cells g i  and g h  ( o r c o r r esp o ndi ng  p o i n t s  P i  and P h ) is  th len g t h of t h e lin b e tween  the cen ter po in ts of th two  g r ids an is d e no ted b y   d(g i   , gh )  or  d( P i  , P h ).  i,h C.    22 dg g x x y y ih i h ih  (,  (2 )     Defi ni t i on  2.  T h e n u m b er o f   i  wh ich  is free  g r i d  m a k e  u p  a set wh ich  was called  th e feasib le reg i o n , M a rk ed  as F .  F S=A ., i F     Defi ni t i on  3.  F o r al l   no des i n  t h e R R T  c o r r e sp on di n g   gri d  seri al  n u m b er  co nsistin g   of a co llectio n   called   R R T  n ode  set ,   M a rke d  as   P ( RR T ).   Defi n itio n   4 .   If g  is a  grid  cell ,  th e set  NEIB i  is called  th n e ighbo rho o d   o f   g i T h e broad  lines marked  t h e   n e igh bor hoo o f  g( 4,4)  i n  f i g1 Defi n itio n   5 .  Co llectio n   wh ich  is co m p o s ed  b y  th serial  n u m b er th at th ro bo t is  no t search ed called   Q(RRT)    3.2 The  Basic  Idea  and Steps of the  Algori thm                     Fi gu re 3.   The  R R T   C o n s t r uct i on       Th e r a p i d l y- exp l or ing   r a ndom  tr ee p l ann e r is an  i n cr em en tal sear ch algo r ith m  th at  p r o v i d e s b e n e f i t s  ov er   co nv en tio n a l  ro ad m a p   p l ann e rs  du e t o  t h e i n h e ren t   feasib ility o f  th e so lu tio n s   g e n e rated.In itially, th G b e gin   is  t h e onl y  no de  of G end For ea ch iteration, a random state  G rand  i s  chosen , and G nearst   is selected as the nearest  state to G rand   acco rd ing  t o  a  metric fun c tion   p.  For G nearst   best  i n p u t   G best   is ch osen to   g e n e rate a new state  G extend   wh ich  is clo s est to   G ran d   of  al l  st at es g e nerat e by  ap pl y i ng  o n e st e p  c ont r o l   fr om   G rand . If  G rand   satisfies  t h gl obal  co ns t r ai nt s, G rand   wi l l  be ad de d t o   G end.   St ep1:   G begin  a s  the start point,  G end  as t h e goal  poi nt ,   The gri d   serial num b er   of  G begin  as  RRT   r oot   n o d e , in itializes relev a n t   p a rameters.  St ep2:  Let   G nea r st G root  , G neast   is th e clo s est no d e  in  t h P(R R T)  to  th G end St ep3:  i f   G nearst G end , t h en goto Step6;else  goto  Step4.  St ep4:   whi c h  o b ey s u n i f orm  di st ri b u t i o n i s  a ra nd om  nu m b er   ( p [0 ,1]   ). If  p  is less th an  p g ,   th en   let  G targe  equal s   G end . I f   p  is  greater tha n   p g , let  G target  i s  bl ank  gri d  w h i c h i s  ra n dom l y   sel ect ed i ndi vi dual s   fr om   Q(RRT) .   p g  is  known as  the consta nts.  St ep5:  Fi n d  a n ode  G n ( Gn P(RRT ) ),and  G n  is t h e clo s est to  th G target.  An d t h e n  fi nd a  n o d G extend   ( Gextend NEIB Gn , P(RRT) Gextend )wh i ch  is th e clo s est to  th e  G n . If  G extend  can  b e  find  ,it will b e  ad d e to   P(RRT) . If d ( G extend, G end ) is less th an d( G nearst, G end ),   th en let  G nears  equa l s   G extend . Oth e rwise, th e ex ten s ion  failed ,  go to  Step 3 ;   St ep6:  R e t u r n   t o  t h f o rm at i on  of  t h e R R T ,   a pat h  f r om   G en d  to   G begin  ca n  be m a de  by  t r aversi ng  u p   the tree  until the root  node  is reached.  St ep7:  Sel ect   t h e best  navi gat i on pat h  P= { P 0 P 1 ……P u+1 } ,P 0  is th e start  poin t ,  P u+1  is th g o a po in t.  St ep8:  C a l c ul a t ed t h num ber(M ar ke d as  Pn um )  o f  i n t e r s ect i on  poi nt s t h e na vi gat i on  pat h  a n d t h e   vertical boundary of the  grid ,that is each  pa rticle has  Pnum  di m e nsi on, C a l c ul at e t h e sl i d i ng  ran g o f  t h e fi rst   d- di m e nsi onal  fr om   x d mi n  to   x d ma x Step 9 :  In itialize  p a rticle  c   (ra ndom ly init iali ze each  dim e nsion  of the  pa rticle’s position  (0) x c and  v e lo city in  t h so lu tion  sp ace (0 ) v c ), each pa rticle’s historic  opti m al position  p c   is itself.    In itializes relev a n t   p a ram e te rs:  max mi n 1 c 2 c max P  (the larg est  num b e r o f  iteratio n s ) n  (iteratio n coun ter).  G begi n G ne ar s t G ta r g e t G ex t e n d G en d Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 089 -48 56  IJR A    V o l .  3,  No . 2,  J u ne 2 0 14:    1 0 7  – 11 1   11 0 Step10: Calculate each article’s  fitness val u e according to  Eq.  (3 and  lab e l th e p a rticle with  th minim u m  fitness val u e as   P g ;     1 ,1 , 1 , , 1 (( ) ) ( , ) ( ( ) , ( ) ) ( , ( ) ) ( 3 ) P num c b e g in c c d c d e nd c P num d Fx t d G x d x t x t d G x t      Step11: Updat e  particle’s  velocity according to Eq. (4) if  d d c v v max , set d d c v v max , if  d d c v v max , , set  d d c v v max , ;r 1  and r 2  a r e ra n dom  num ber  bet w een  0   and  1 .     ,, 1 1 , , 22 , , ( 1 ) ( ) [ () () ] [( ) ( ) ] ( 4 ) c d cd cd cd gd c d vt V t c r pt xt cr p t x t       Update pa rticle’s position  according to  Eq.  (5),   if  d d c x x min , , set d d c x x min , . if  d d c x x max , , set   d d c x x max ,   ,, , (1 ) ( ) ( 1 ) ( 5 ) cd c d cd x t xt vt      Step12: Calcul ate each article’s fitnes s val u e ( F c ( x ( t + 1 ))) according to   Eq.  (3 ) .  U pdat e   p c Up dat e   p g n=n+ 1,   () / ma x m ax m i n m ax np   .   Step 13 : if n < p ma x ,t urn   t o  st ep 11   and  iterate if n = p ma x  tu rn to  step   1 4 Step 14 find  the op ti m a l p a th     4.   SIMULATION RESULT   To i nve st i g at t h e ef fect   of  t h e al g o ri t h m  pr op ose d  i n  t h i s   pape r,  m a ny  si m u l a t i on e xpe r i m e nt s were   co ndu cted .   As will b e  shown in  th n e x t  sectio n s , th results were  qu ite  satisfacto r y and  co m p are favo rab l t o  res u l t s  usi n ot her  al g o ri t h m s . A Pe nt i u m  deskt op c o m put er wi t h  I n t e l  D u al  C o r e  C P U,  2 . 3 3 G Hz, a n 2 G B  m e m o ry  was used. Th e so ft ware is written  in M S  Visu al St udio   6 . 0  C. In   o r d e r to resu lts were  com p arabl e , s e t t i ng t h sam e   expe ri m e nt al  envi ro nm ent   Un de r t h e sam e  con d i t i ons a nd  wi t h  t h e en vi r onm ent  of F i gu re 4.  We co m p are our res u l t s  wi t h  t h resu lts in   [7 ]. Th e fi n e  lin wh ich  leng th  i s  32 .1 4  stan ds  for th p a th   o f  ACO. Th e bo l d  lin wh ich  len g t h  is  30 .1 2 st an ds f o r t h e pat h   of t h e al gori t h m  i n  [7] .  T h e re d l i n e whi c h l e ngt h  i s  29. 57 st a n d s  fo r t h e pat h   o f  o u r   alg o rith m .  Th e grid  is  u s ed  as len g t h   u n it i n  t h is  d r awing .   In c o m p l e x en vi r onm ent s  t h e  ro b o t  na vi gat i on i s   ve ry  suc cessf ul  usi ng  o u r al go ri t h m .  We c o m p are  o u r resu lts  with  th resu lts in [6 ]. Th b l ack lin e wh ich  le ng th  is  3 2 .13  stan d s  fo r t h p a th  of th e algo rit h m  in   [6 ].  Th e red  line wh ich  len g t h   is 31 .2 5 stand s  fo r t h p a th   of ou r algo rith m .           Fi gu re  4.  The   pat h  i n  a  si m p le en vi r onm ent       Fi gu re  5.  The   pat h  i n  a c o m p l e x en vi r o nm en       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J RA I S SN 208 9-4 8 5 6     A n o vel   pat pl an ni n g  f o r r o b o t s   base d   o n  r a pi dl y-ex pl ori n g r a n d o m  t r ee  an p a rt i c l e  sw arm…  ( Z h o u   Fen g )   11 1 In orde r t o  further validate t h e algorithm ,   We com p ared  our algo rith m  with   o t h e rs in th 3 0  * 30  env i ron m en of  re fere nce  [8 ] .  In  t h e t a bl 1  are l i s t e d t h e a v era g e l e ngt of  pat h   whi c obt ai ne d i n   fi v e  t e st s.      Tabl e 1. Per f o r m a nce  C o nt ras t   envir o n m ent   A* GA   ACO grid  RRT-grid [7]   ref e ren c e [9 ] our  algor ith m   30*3 0  [8 ]   N/A 85. 491   65. 0   61. 2   45. 0   44. 5       5.   CO NCL USI O N   In t h i s   pa per, t h e aut h o r pr o pos e a n ovel   m e t hod t o  s o l v e t h e gl o b al  pa t h - p l a n n i n g p r obl em  for t h e   m obile robot.  First the  grid  method is  buil t  to  desc ri be t h working s p ace of t h e m o bile robot, the n  the  R a pi dl y - ex pl or i ng R a n dom   Tree al go ri t h m  i s  used t o  obt ai n t h gl o b al  navi gat i o n  pat h , an d t h e  Part i c l e   Swarm  Op tim i zer algo rith m   is ad op ted  t o  g e t th e b e tter  p a th Exp e rimen t  resu lts show th v a lid ity and  practicability of the m e thod.  By this  m e thod, it is eas y to build a m odel and m eet  the  real-tim e dem a nd  for  m o b ile ro bo t’s  n a v i g a tio n wit h  th e sim p le al g o rith m ,  wh ich resu lts in  a certain  practical valu e.      REFERE NC ES   [1]   Yanrong Hu and Simon  X. Yang.  A Knowledge  Based Genetic A1gorith m for Path of a Mobile Robot . P r oceed ings  of the 2004 I E EE in ternation a Conferenceon R obotics  & Auto mation New Orleans. 200 : 4350- 4355.  [2]   GUO Tongy ing ,  QU  Daokui, DONG Zaili.  Res e arch of Path Planning for Polishing Robot Based on Improved  Genetic Algorith m . Proceedings  of the 2004 I E EE International  C onference on  R obotics  and Bio m imetics: 334-3 38  [3]   Qin Yuan Qing, Sun De Bao.  Path Plann ing  For Mobile Ro bot Using  The Particl e  Swarm Optimization  With  Mutation Op erator . Proceedings  of th Third I n ternational Co nfer ence on  Machine Learning   and C y bern etics,  Shanghai, 26-29  August 2004: 24 73-2478.  [4]   Sun Bo, Chen Weidong, Xi Yugeng. Pa rticle Swarm Optimization Based Globa l Path Planning  for Mobile Rob o ts.  Control and Decision . 2005 ; 20(9 ) : 1052-1060  (in  Chinese)   [5]   Zhu Qing Bao. Ant Algorithm   for Navigation  of  Multi-Robot Movem e nt in Unknown Environm ent.  Journal of  Software . 2006;  17(9): 1890-189 8 (in Ch inese) [6]   Guo Haitao, Zh u Qingbao, Xu  Shoujiang.  Rapid-exploring rand om tree algorith m for  path plan ning of robot based  on grid method.   Journal of Nanjing Normal Univers ity: Engin eering and Technology Edition . 2007 ; 7(2): 58-61. (in   Chines e)   [7]   GUO Haitao,  ZHU Qingbao, SI  Yingtao. Novel Path Planni ng  f o r Robots S y ncr e tizing Ant Alg o rithm and Gen e tic  Algorithm.  Jour nal of Chinese C o mputer Systems . 2008; 29(10): 1 838-1841. (in  C h inese)   [8]   Zhang Meiy u ,   Huang Han, Hao Zhifeng .  Motion Planni ng Of  Autonomous Mobile Robo t Bas e d On Ant Colo n y   Algorithm.  Com puter Eng i neerin g and App lica tio ns . 2005; 41 (9):  34-37 (in Ch ines e)  [9]   Cai Wenbin ,  Z hu Qingbao. Ro lling Path Plan ning of R obot  Based on Rap i d l y  Explor ing R a ndom  Tree  in  an   Unknown Environment.  Journal of Nanjing Normal  University:  Engineering and  Technolog y Ed ition . 2009 ; 6(2) 79-83. (in  Chin ese)      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.