張海鷹，高艷麗，張樹(shù)團(tuán)

（海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺(tái) 264000）

擁有自主導(dǎo)航能力的智能探路車(chē)輛可以成為多種功能設(shè)備的運(yùn)載平臺(tái)，正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、軍事、科學(xué)探索和日常生活中。因而，對(duì)于自主導(dǎo)航車(chē)輛的研究也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

自主導(dǎo)航的探路車(chē)系統(tǒng)，能夠在未知的、復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，通過(guò)對(duì)環(huán)境的感知找到有效的通行路徑，到達(dá)期望的目標(biāo)區(qū)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能，必須解決兩個(gè)問(wèn)題。首先，系統(tǒng)要獲取詳細(xì)可靠的環(huán)境信息；然后，在獲取環(huán)境信息的基礎(chǔ)上對(duì)信息進(jìn)行加工處理，并根據(jù)需要判斷出合理有效的通行路徑。

在未知的行駛環(huán)境中，智能車(chē)輛通常使用傳感器（如視覺(jué)傳感器、超聲傳感器、激光測(cè)距儀等）探測(cè)環(huán)境信息進(jìn)行反應(yīng)式[1]導(dǎo)航。在各類(lèi)傳感器中，超聲傳感器的應(yīng)用最為廣泛。超聲傳感器是基于TOF（time of flight）技術(shù)，即發(fā)射超聲波信號(hào)再接收其回波，根據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間差來(lái)計(jì)算目標(biāo)對(duì)象距離的探測(cè)裝置。使用超聲傳感器進(jìn)行車(chē)輛導(dǎo)航，就是通過(guò)超聲傳感器測(cè)量環(huán)境中存在的障礙物距離，進(jìn)而判斷行駛環(huán)境的導(dǎo)航方法。

在具體的導(dǎo)航行駛中，循線行駛是車(chē)輛在未知環(huán)境中自主導(dǎo)航效率較高的辦法，許多場(chǎng)合都要求車(chē)輛具有循線行駛能力。如環(huán)境中障礙物整體過(guò)于龐大，系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)傳感器了解其整體形狀而無(wú)法規(guī)劃其避碰路徑時(shí)，車(chē)輛沿障礙物輪廓行駛是一個(gè)較為合理的辦法[2]。

為實(shí)現(xiàn)探路車(chē)在未知環(huán)境中可靠高效地自主導(dǎo)航行駛，設(shè)計(jì)了一種新的基于超聲傳感器的導(dǎo)航行駛辦法?；舅悸窞椋河贸晜鞲衅髯鲂D(zhuǎn)掃描，探測(cè)行駛環(huán)境；根據(jù)環(huán)境的不同狀況進(jìn)行簡(jiǎn)單的避障行駛或復(fù)雜的循線行駛。

1 基于旋轉(zhuǎn)超聲傳感器的環(huán)境探測(cè)

采用超聲傳感器探測(cè)環(huán)境信息時(shí)，為了獲取更加詳盡的信息，多數(shù)設(shè)計(jì)中都使用多組超聲傳感器陣列探測(cè)，即在車(chē)體的不同位置上安置超聲傳感器以探測(cè)不同方向上的環(huán)境信息。甚至使用全向的超聲環(huán)進(jìn)行全方位探測(cè)[3]。但是由于超聲傳感器自身存在的波束角的問(wèn)題[4]，探測(cè)結(jié)果大多指向性不足，尤其存在較多的探測(cè)盲區(qū)。為了克服這些缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用了使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小波束角超聲傳感器在扇形角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)掃描的探測(cè)方法[5]。

使用波束角較小的超聲傳感器進(jìn)行測(cè)距，可以提高探測(cè)精度，增強(qiáng)探測(cè)的指向性[4]；使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器逐步掃描探測(cè)，不但可以減少傳感器的使用數(shù)量，解決多傳感器之間相互串?dāng)_的問(wèn)題，而且可以更全面地探知行駛環(huán)境。并且，在設(shè)定電機(jī)每一步的步進(jìn)角度小于傳感器有效探測(cè)角度時(shí)，可使相鄰兩次探測(cè)的探測(cè)區(qū)域相互交疊，消除探測(cè)盲區(qū)的存在[5]。

設(shè)計(jì)中，在車(chē)體前端的正中及兩側(cè)共設(shè)置三組超聲傳感器旋轉(zhuǎn)探測(cè)。以中央傳感器為主，兩側(cè)傳感器輔助，為車(chē)輛提供全面的導(dǎo)航信息。設(shè)定車(chē)體寬度為a，長(zhǎng)度為b；主傳感器的探測(cè)范圍θ＜180°，最大測(cè)距距離為R；驅(qū)動(dòng)電機(jī)以角速度ω步進(jìn)，在每一輪的探測(cè)中，系統(tǒng)共測(cè)距n次，得到n個(gè)連續(xù)的距離信息。當(dāng)測(cè)距距離l＜R時(shí)，標(biāo)記為障礙物信息。每一輪可標(biāo)記障礙物個(gè)數(shù)m≤n。

以車(chē)輛的正前方向?yàn)榭v軸、垂直方向?yàn)闄M軸設(shè)立參考坐標(biāo)系XOY。結(jié)合每一輪探測(cè)中測(cè)得的各組障礙物距離li與探測(cè)角度ai，確定障礙物的位置信息。

圖1 參量設(shè)置Fig.1 Parameter settings

2 不同環(huán)境下的導(dǎo)航行駛辦法

探路車(chē)導(dǎo)航時(shí)以目標(biāo)方向?yàn)闇?zhǔn)，確定大致的行駛方向。在確定行駛方向后，環(huán)境情況一般包含以下幾種類(lèi)型：1）目標(biāo)方向上無(wú)障礙物；2）目標(biāo)方向上有障礙物但存在通行路徑；3）目標(biāo)方向上有障礙物且不存在通行路徑。

對(duì)于不同的環(huán)境狀況，系統(tǒng)可以使用不同的行駛辦法以提高行駛效率[6]。

2.1 目標(biāo)方向無(wú)障礙物存在

在主傳感器一輪掃描中探知的全部障礙物位置（xi，yi），i∈{1，2，…n}中，如果則可確定當(dāng)前環(huán)境下不存在阻礙車(chē)輛直線向目標(biāo)方向行進(jìn)的障礙物。此時(shí)，車(chē)輛無(wú)需做出任何避讓行動(dòng)，可直接通行。在這樣的情況下，允許車(chē)輛保持一定的行駛速度邊行進(jìn)邊探測(cè)。

由于在車(chē)輛行進(jìn)時(shí)主傳感器做掃描探測(cè)，所以對(duì)于部分障礙物的探測(cè)會(huì)出現(xiàn)延遲，不能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)障礙物。因而車(chē)輛的行進(jìn)速度須受到限制。能夠?qū)?chē)輛行進(jìn)構(gòu)成直接阻礙的障礙物，應(yīng)處在車(chē)體正前方范圍之內(nèi)。最長(zhǎng)延時(shí)情況，即障礙物橫向坐標(biāo)正處于車(chē)體邊緣，剛好能對(duì)車(chē)輛的直線行駛造成阻礙；障礙物與車(chē)輛之間的距離剛剛達(dá)到傳感器的最大探測(cè)距離；在主傳感器當(dāng)前一輪的掃描中，探測(cè)方向也恰好掠過(guò)障礙物所在的位置。剛好錯(cuò)過(guò)了對(duì)障礙物的探測(cè)。只有在下一輪的掃描中傳感器再次朝向該障礙物時(shí)，才會(huì)探測(cè)到其存在。在延遲時(shí)間內(nèi)，傳感器共探測(cè)的角度范圍，在這段時(shí)間內(nèi)，車(chē)輛直線行進(jìn)的距離不能超過(guò)最大探測(cè)距離R，否則會(huì)與障礙物發(fā)生碰撞。因而限定車(chē)輛行進(jìn)速度

2.2 目標(biāo)方向有障礙物但存在通行路徑

在主傳感器一輪掃描中探知的全部障礙物位置（xi，yi），i∈{1，2，…n}中，如果則當(dāng)前環(huán)境下目標(biāo)方向上存在障礙物，車(chē)輛不能直線行駛通過(guò)。此時(shí)，應(yīng)判斷當(dāng)前環(huán)境中是否存在可通行路徑允許車(chē)輛以簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)彎避開(kāi)障礙物。

將一輪n次探測(cè)中所標(biāo)記的m個(gè)障礙物位置信息重新標(biāo)記為（xk，yk），k=（1，2，…，m）。 若所有標(biāo)記的障礙物中存在則判斷當(dāng)前環(huán)境下存在以障礙物（xk，yk）和（xk+1，yk+1）為參考的可行通路。但是，如果此輪探測(cè)是在車(chē)輛行進(jìn)間獲得的，那么得到的障礙物信息（xi，yi），i∈{1，2，…n}就不是處于同一參考坐標(biāo)系下，不能用以直接參考計(jì)算。因此，必須將原有障礙物信息 做同一處理（xi，yi）。

以一輪探測(cè)中所標(biāo)記的最后一個(gè)障礙物所處參考坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，調(diào)整障礙物坐標(biāo)為（x′i，y′i）：直線行駛過(guò)程中保持橫坐標(biāo)不變，有 x′i=xi；縱坐標(biāo)則要減去探測(cè)后的前進(jìn)距離，y′i=yiv·t。傳感器完成一輪掃描所需時(shí)間為相鄰角度上兩次探測(cè)的時(shí)間間隔所以，探測(cè)信息（xi，yi）在同一坐標(biāo)系中調(diào)整為

然后，系統(tǒng)就以同一坐標(biāo)下的可通行路徑為目標(biāo)，由直線行駛狀態(tài)切換為轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，直接轉(zhuǎn)向行駛至路口處[7]。轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，傳感器系統(tǒng)不再探測(cè)環(huán)境信息。至轉(zhuǎn)彎完成后，停車(chē)，在靜止?fàn)顟B(tài)下再作全面探測(cè)，決定下一步的行動(dòng)。

2.3 目標(biāo)方向有障礙物且不存在通行路徑

如主傳感器在一輪掃描中沒(méi)有探測(cè)到任何可行通路，這種情況下選擇循線行駛是效率較高的導(dǎo)航方法[2]。探路車(chē)循線行駛時(shí)所循的線，就是連續(xù)存在的障礙物。在沒(méi)有可行通路的情況下，車(chē)輛先沿著連續(xù)存在的障礙物（如墻壁）行進(jìn)，直到朝向目標(biāo)區(qū)的通路出現(xiàn)后，再結(jié)束循線，駛向目標(biāo)區(qū)。

在循線行駛的狀態(tài)下，首先需要確定循線行駛的走向。假設(shè)傳感器當(dāng)前一輪探測(cè)是自左向右掃描，將所得的n個(gè)障礙物信息調(diào)整于同一坐標(biāo)系下：（x′i，y′i），i∈{1，2，…n}。 計(jì)算如果 L1＞L2，則表明當(dāng)前情況下向左循線行駛更能有效接近目標(biāo)區(qū)，應(yīng)以車(chē)體右側(cè)貼近連續(xù)存在的障礙物循線而行；如果L1＞L2，則表明當(dāng)前情況下向右循線行駛更能有效接近目標(biāo)區(qū)，應(yīng)以車(chē)體左側(cè)貼近連續(xù)存在的障礙物循線行駛。

在循線行駛狀態(tài)下，系統(tǒng)主傳感器不再做探測(cè)環(huán)境信息的旋轉(zhuǎn)掃描，而是探測(cè)車(chē)輛正前方的障礙物情況，避免碰撞發(fā)生；車(chē)體兩側(cè)的輔助傳感器是循線行駛狀態(tài)下得主要倚靠。傳感器以45°的角度斜向前探測(cè)，測(cè)得距離D。D即為車(chē)體與障礙物之間的大致距離。循線過(guò)程中不斷微調(diào)車(chē)輛行駛方向使完成以連續(xù)障礙物為參考的循線行駛。但在循線行駛過(guò)程中，構(gòu)成循線軌跡的障礙物不一定是連續(xù)出現(xiàn)的，并且可能會(huì)有較大的起伏。

比較側(cè)向傳感器的當(dāng)前測(cè)距數(shù)值Di與上一次測(cè)距數(shù)值Di-1。當(dāng)側(cè)向傳感器的測(cè)距數(shù)值D突然增大時(shí)，說(shuō)明循線軌跡上出現(xiàn)了較大的缺口，可能會(huì)存在新的可通行路徑。如果循線軌跡上確實(shí)存在新的可行通路，那么路徑寬度一定大于車(chē)體寬度a。由于側(cè)向傳感器是以45°的角度斜向探測(cè)，所以探測(cè)到新通路時(shí)，側(cè)向傳感器測(cè)距的突增值△D=Di-Di-1也一定大于 a。所以只有在△D＞a的情況下，才有出現(xiàn)新通路的可能，此時(shí)車(chē)輛應(yīng)結(jié)束循線行駛，使用主傳感器對(duì)環(huán)境重新作全面探測(cè)，以確定是否存在新的通行路徑。若存在，則轉(zhuǎn)向新路徑行駛；不存在，則繼續(xù)循線行駛?！鱀＞a，且存在新的通行路徑的情況，即為循線軌跡中出現(xiàn)外拐角的情況。

圖2 外拐角判定Fig.2 Out-corner judgment

當(dāng)循線軌跡中出現(xiàn)的內(nèi)拐角，在一定程度上阻斷了當(dāng)前循線行駛的線路。當(dāng)主傳感器測(cè)得的正前方障礙物距離l≤a時(shí)，可以判定循線線路上出現(xiàn)了內(nèi)拐角，此時(shí)車(chē)輛結(jié)束循線行駛停止前進(jìn)，再次使用主傳感器作全面探測(cè)，而后直接轉(zhuǎn)向新測(cè)得的通路繼續(xù)行駛。

車(chē)輛在保持循線行駛狀態(tài)時(shí)，其實(shí)際前進(jìn)的方向，應(yīng)當(dāng)與目標(biāo)區(qū)的引導(dǎo)方向不同。如果車(chē)輛的實(shí)際行駛方向與引導(dǎo)方向重合，車(chē)輛就應(yīng)立即結(jié)束循線行駛，停車(chē)作全面探測(cè)，再?zèng)Q定下一步的行駛動(dòng)作。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)全未知環(huán)境下的車(chē)輛自主導(dǎo)航，提出了一種基于超聲傳感器旋轉(zhuǎn)探測(cè)的導(dǎo)航方法。系統(tǒng)使用精度較高的超聲傳感器在一定角度內(nèi)逐步掃描探測(cè)，通過(guò)對(duì)測(cè)距信息的處理，得到可靠的環(huán)境信息。然后根據(jù)環(huán)境狀況的不同，將車(chē)輛的導(dǎo)航行駛模式進(jìn)行分類(lèi)，使車(chē)輛在各種行駛環(huán)境中都能夠保持較高的行駛效率。但現(xiàn)有的導(dǎo)航方法，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的分辨能力仍顯不足，需要加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)多點(diǎn)障礙物環(huán)境下可通行路徑的分辨能力。

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