劉福

【摘 要】 針對(duì)武裝機(jī)器人在未知環(huán)境下的避障規(guī)劃問題，利用雙超聲波傳感器對(duì)凹形障礙物進(jìn)行探測(cè)識(shí)別和分析研究，并提出交叉探測(cè)的識(shí)別方法。該方法簡(jiǎn)單有效，能較快對(duì)機(jī)器人面臨的凹形障礙物進(jìn)行檢測(cè)并執(zhí)行相應(yīng)的規(guī)避動(dòng)作，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地避障。

【關(guān)鍵詞】 機(jī)器人 避障規(guī)劃 交叉探測(cè)

1 引言

在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，武裝機(jī)器人不僅面臨著凸形障礙物的威脅，還時(shí)常會(huì)遇到壕溝、深坑等凹形障礙物。當(dāng)前對(duì)凸形障礙物和運(yùn)動(dòng)障礙物的研究較多，但對(duì)于凹形障礙物的研究比較少。本文重點(diǎn)利用超聲探測(cè)技術(shù)[1]對(duì)履帶式機(jī)器人識(shí)別和規(guī)避凹形障礙物進(jìn)行探討和研究。

2 基于交叉探測(cè)的凹形障礙物識(shí)別

2.1 對(duì)障礙物的通過性分析

對(duì)于凹形靜態(tài)障礙物的識(shí)別，要考慮的因素較多，下面以壕溝為例進(jìn)行分析。本文僅僅從寬度方面對(duì)障礙物進(jìn)行通過性分析，深度和坡度均考慮為理想條件。

庫納（K Kilner）在研究了履帶式車輛的越溝性能后，得出：若車輛重心位于的一半距離，則車輛可越過的壕溝寬度為[2]：

（1）

式中，為履帶車前后輪中心的距離，、分別為前后輪的半徑。實(shí)際測(cè)量得到相關(guān)參數(shù)：，，。代入經(jīng)驗(yàn)公式（1），得到，即武裝機(jī)器人在理想情況下可順利通過壕溝的寬度為0.5831m。

2.2 利用雙超聲傳感器進(jìn)行交叉探測(cè)

利用單個(gè)超聲波傳感器測(cè)量出壕溝的寬度是十分困難的。本文設(shè)計(jì)了一種基于雙超聲波傳感器交叉探測(cè)的辦法來進(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)量方法如圖1所示。

在機(jī)器人車體的前側(cè)兩個(gè)不同探測(cè)角度分別安裝兩個(gè)超聲傳感器，形成兩條探測(cè)線：探測(cè)線1和探測(cè)線2。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用測(cè)得，為固定值。當(dāng)和確定時(shí)，，，均可通過三角函數(shù)求得。定義為機(jī)器人的反應(yīng)距離。當(dāng)前方出現(xiàn)壕溝時(shí)，的測(cè)量值會(huì)首先發(fā)生躍變，探測(cè)線2由延長至。當(dāng)探測(cè)線1出現(xiàn)大的躍變，由變?yōu)闀r(shí)，開始計(jì)算前方凹形障礙物的寬度值。探測(cè)線1進(jìn)入溝內(nèi)時(shí)，需要分情況進(jìn)行討論。

（1）探測(cè)線2已到溝外。這種情況下壕溝寬度肯定小于，又，所以存在

（2）

為了增加安全性，可將測(cè)量的寬度值考慮得大一點(diǎn)，因此可認(rèn)為。若，可順利通過；若，則無法通過壕溝。

（2）探測(cè)線2仍在溝內(nèi)。這種情況下壕溝的寬度至少為，可認(rèn)為，通過比較和就可初步判斷能否通過壕溝。下面計(jì)算的值。

（3）

而

（4）

因?yàn)椋?/p>

（5）

當(dāng)時(shí)，機(jī)器人可繼續(xù)前進(jìn)，將代入，得

（6）

同理，當(dāng)時(shí)，機(jī)器人需采取相應(yīng)的避障措施，此時(shí)

（7）

本文中取傳感器的安裝角度為例進(jìn)行分析，代入式（7），得。即當(dāng)探測(cè)線1進(jìn)入溝內(nèi)時(shí)，若探測(cè)線2的測(cè)量值大于0.94m，則判定機(jī)器人無法通過前面的凹形障礙物，必須采取避障措施。

2.3 算法流程

該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，為機(jī)器人檢測(cè)和規(guī)避凹形障礙物提供了新的思路。具體的算法流程可描述為：

Step1：機(jī)器人實(shí)時(shí)采集探測(cè)線1和探測(cè)線2的測(cè)距值；

Step2：若探測(cè)線2的測(cè)距值大于安全設(shè)定值，則機(jī)器人減速前進(jìn)；

Step3：判斷探測(cè)線1的測(cè)距值是否大于安全設(shè)定值，若No，返回Step2，若Yes，則利用交叉探測(cè)法計(jì)算凹形障礙物的寬度值w；

Step4：若w大于機(jī)器人的最大可通過寬度，則停止前進(jìn)避開障礙物；反之，繼續(xù)前進(jìn)，越障通過。

3 結(jié)語

針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的未知性，本文創(chuàng)造性地對(duì)凹形障礙物進(jìn)行了深入的分析研究，提出基于雙超聲傳感器的交叉探測(cè)方法。該識(shí)別方法在野外戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下是行之有效的，機(jī)器人對(duì)于前進(jìn)方向上的凹形障礙物能夠正確識(shí)別，并能自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作進(jìn)行跨越或避開，為機(jī)器人避障研究提供了新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪磊，曾慶化，莊瞳，劉建業(yè).依靠自身傳感器的室內(nèi)無人機(jī)自主導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012，29（8）：160-163.

[2]張克健.車輛地面力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

【摘 要】 針對(duì)武裝機(jī)器人在未知環(huán)境下的避障規(guī)劃問題，利用雙超聲波傳感器對(duì)凹形障礙物進(jìn)行探測(cè)識(shí)別和分析研究，并提出交叉探測(cè)的識(shí)別方法。該方法簡(jiǎn)單有效，能較快對(duì)機(jī)器人面臨的凹形障礙物進(jìn)行檢測(cè)并執(zhí)行相應(yīng)的規(guī)避動(dòng)作，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地避障。

【關(guān)鍵詞】 機(jī)器人 避障規(guī)劃 交叉探測(cè)

1 引言

在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，武裝機(jī)器人不僅面臨著凸形障礙物的威脅，還時(shí)常會(huì)遇到壕溝、深坑等凹形障礙物。當(dāng)前對(duì)凸形障礙物和運(yùn)動(dòng)障礙物的研究較多，但對(duì)于凹形障礙物的研究比較少。本文重點(diǎn)利用超聲探測(cè)技術(shù)[1]對(duì)履帶式機(jī)器人識(shí)別和規(guī)避凹形障礙物進(jìn)行探討和研究。

2 基于交叉探測(cè)的凹形障礙物識(shí)別

2.1 對(duì)障礙物的通過性分析

對(duì)于凹形靜態(tài)障礙物的識(shí)別，要考慮的因素較多，下面以壕溝為例進(jìn)行分析。本文僅僅從寬度方面對(duì)障礙物進(jìn)行通過性分析，深度和坡度均考慮為理想條件。

庫納（K Kilner）在研究了履帶式車輛的越溝性能后，得出：若車輛重心位于的一半距離，則車輛可越過的壕溝寬度為[2]：

（1）

式中，為履帶車前后輪中心的距離，、分別為前后輪的半徑。實(shí)際測(cè)量得到相關(guān)參數(shù)：，，。代入經(jīng)驗(yàn)公式（1），得到，即武裝機(jī)器人在理想情況下可順利通過壕溝的寬度為0.5831m。

2.2 利用雙超聲傳感器進(jìn)行交叉探測(cè)

利用單個(gè)超聲波傳感器測(cè)量出壕溝的寬度是十分困難的。本文設(shè)計(jì)了一種基于雙超聲波傳感器交叉探測(cè)的辦法來進(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)量方法如圖1所示。

在機(jī)器人車體的前側(cè)兩個(gè)不同探測(cè)角度分別安裝兩個(gè)超聲傳感器，形成兩條探測(cè)線：探測(cè)線1和探測(cè)線2。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用測(cè)得，為固定值。當(dāng)和確定時(shí)，，，均可通過三角函數(shù)求得。定義為機(jī)器人的反應(yīng)距離。當(dāng)前方出現(xiàn)壕溝時(shí)，的測(cè)量值會(huì)首先發(fā)生躍變，探測(cè)線2由延長至。當(dāng)探測(cè)線1出現(xiàn)大的躍變，由變?yōu)闀r(shí)，開始計(jì)算前方凹形障礙物的寬度值。探測(cè)線1進(jìn)入溝內(nèi)時(shí)，需要分情況進(jìn)行討論。

（1）探測(cè)線2已到溝外。這種情況下壕溝寬度肯定小于，又，所以存在

（2）

為了增加安全性，可將測(cè)量的寬度值考慮得大一點(diǎn)，因此可認(rèn)為。若，可順利通過；若，則無法通過壕溝。

（2）探測(cè)線2仍在溝內(nèi)。這種情況下壕溝的寬度至少為，可認(rèn)為，通過比較和就可初步判斷能否通過壕溝。下面計(jì)算的值。

（3）

而

（4）

因?yàn)椋?/p>

（5）

當(dāng)時(shí)，機(jī)器人可繼續(xù)前進(jìn)，將代入，得

（6）

同理，當(dāng)時(shí)，機(jī)器人需采取相應(yīng)的避障措施，此時(shí)

（7）

本文中取傳感器的安裝角度為例進(jìn)行分析，代入式（7），得。即當(dāng)探測(cè)線1進(jìn)入溝內(nèi)時(shí)，若探測(cè)線2的測(cè)量值大于0.94m，則判定機(jī)器人無法通過前面的凹形障礙物，必須采取避障措施。

2.3 算法流程

該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，為機(jī)器人檢測(cè)和規(guī)避凹形障礙物提供了新的思路。具體的算法流程可描述為：

Step1：機(jī)器人實(shí)時(shí)采集探測(cè)線1和探測(cè)線2的測(cè)距值；

Step2：若探測(cè)線2的測(cè)距值大于安全設(shè)定值，則機(jī)器人減速前進(jìn)；

Step3：判斷探測(cè)線1的測(cè)距值是否大于安全設(shè)定值，若No，返回Step2，若Yes，則利用交叉探測(cè)法計(jì)算凹形障礙物的寬度值w；

Step4：若w大于機(jī)器人的最大可通過寬度，則停止前進(jìn)避開障礙物；反之，繼續(xù)前進(jìn)，越障通過。

3 結(jié)語

針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的未知性，本文創(chuàng)造性地對(duì)凹形障礙物進(jìn)行了深入的分析研究，提出基于雙超聲傳感器的交叉探測(cè)方法。該識(shí)別方法在野外戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下是行之有效的，機(jī)器人對(duì)于前進(jìn)方向上的凹形障礙物能夠正確識(shí)別，并能自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作進(jìn)行跨越或避開，為機(jī)器人避障研究提供了新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪磊，曾慶化，莊瞳，劉建業(yè).依靠自身傳感器的室內(nèi)無人機(jī)自主導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012，29（8）：160-163.

[2]張克健.車輛地面力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

【摘 要】 針對(duì)武裝機(jī)器人在未知環(huán)境下的避障規(guī)劃問題，利用雙超聲波傳感器對(duì)凹形障礙物進(jìn)行探測(cè)識(shí)別和分析研究，并提出交叉探測(cè)的識(shí)別方法。該方法簡(jiǎn)單有效，能較快對(duì)機(jī)器人面臨的凹形障礙物進(jìn)行檢測(cè)并執(zhí)行相應(yīng)的規(guī)避動(dòng)作，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地避障。

【關(guān)鍵詞】 機(jī)器人 避障規(guī)劃 交叉探測(cè)

1 引言

在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，武裝機(jī)器人不僅面臨著凸形障礙物的威脅，還時(shí)常會(huì)遇到壕溝、深坑等凹形障礙物。當(dāng)前對(duì)凸形障礙物和運(yùn)動(dòng)障礙物的研究較多，但對(duì)于凹形障礙物的研究比較少。本文重點(diǎn)利用超聲探測(cè)技術(shù)[1]對(duì)履帶式機(jī)器人識(shí)別和規(guī)避凹形障礙物進(jìn)行探討和研究。

2 基于交叉探測(cè)的凹形障礙物識(shí)別

2.1 對(duì)障礙物的通過性分析

對(duì)于凹形靜態(tài)障礙物的識(shí)別，要考慮的因素較多，下面以壕溝為例進(jìn)行分析。本文僅僅從寬度方面對(duì)障礙物進(jìn)行通過性分析，深度和坡度均考慮為理想條件。

庫納（K Kilner）在研究了履帶式車輛的越溝性能后，得出：若車輛重心位于的一半距離，則車輛可越過的壕溝寬度為[2]：

（1）

式中，為履帶車前后輪中心的距離，、分別為前后輪的半徑。實(shí)際測(cè)量得到相關(guān)參數(shù)：，，。代入經(jīng)驗(yàn)公式（1），得到，即武裝機(jī)器人在理想情況下可順利通過壕溝的寬度為0.5831m。

2.2 利用雙超聲傳感器進(jìn)行交叉探測(cè)

利用單個(gè)超聲波傳感器測(cè)量出壕溝的寬度是十分困難的。本文設(shè)計(jì)了一種基于雙超聲波傳感器交叉探測(cè)的辦法來進(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)量方法如圖1所示。

在機(jī)器人車體的前側(cè)兩個(gè)不同探測(cè)角度分別安裝兩個(gè)超聲傳感器，形成兩條探測(cè)線：探測(cè)線1和探測(cè)線2。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用測(cè)得，為固定值。當(dāng)和確定時(shí)，，，均可通過三角函數(shù)求得。定義為機(jī)器人的反應(yīng)距離。當(dāng)前方出現(xiàn)壕溝時(shí)，的測(cè)量值會(huì)首先發(fā)生躍變，探測(cè)線2由延長至。當(dāng)探測(cè)線1出現(xiàn)大的躍變，由變?yōu)闀r(shí)，開始計(jì)算前方凹形障礙物的寬度值。探測(cè)線1進(jìn)入溝內(nèi)時(shí)，需要分情況進(jìn)行討論。

（1）探測(cè)線2已到溝外。這種情況下壕溝寬度肯定小于，又，所以存在

（2）

為了增加安全性，可將測(cè)量的寬度值考慮得大一點(diǎn)，因此可認(rèn)為。若，可順利通過；若，則無法通過壕溝。

（2）探測(cè)線2仍在溝內(nèi)。這種情況下壕溝的寬度至少為，可認(rèn)為，通過比較和就可初步判斷能否通過壕溝。下面計(jì)算的值。

（3）

而

（4）

因?yàn)椋?/p>

（5）

當(dāng)時(shí)，機(jī)器人可繼續(xù)前進(jìn)，將代入，得

（6）

同理，當(dāng)時(shí)，機(jī)器人需采取相應(yīng)的避障措施，此時(shí)

（7）

本文中取傳感器的安裝角度為例進(jìn)行分析，代入式（7），得。即當(dāng)探測(cè)線1進(jìn)入溝內(nèi)時(shí)，若探測(cè)線2的測(cè)量值大于0.94m，則判定機(jī)器人無法通過前面的凹形障礙物，必須采取避障措施。

2.3 算法流程

該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，為機(jī)器人檢測(cè)和規(guī)避凹形障礙物提供了新的思路。具體的算法流程可描述為：

Step1：機(jī)器人實(shí)時(shí)采集探測(cè)線1和探測(cè)線2的測(cè)距值；

Step2：若探測(cè)線2的測(cè)距值大于安全設(shè)定值，則機(jī)器人減速前進(jìn)；

Step3：判斷探測(cè)線1的測(cè)距值是否大于安全設(shè)定值，若No，返回Step2，若Yes，則利用交叉探測(cè)法計(jì)算凹形障礙物的寬度值w；

Step4：若w大于機(jī)器人的最大可通過寬度，則停止前進(jìn)避開障礙物；反之，繼續(xù)前進(jìn)，越障通過。

3 結(jié)語

針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的未知性，本文創(chuàng)造性地對(duì)凹形障礙物進(jìn)行了深入的分析研究，提出基于雙超聲傳感器的交叉探測(cè)方法。該識(shí)別方法在野外戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下是行之有效的，機(jī)器人對(duì)于前進(jìn)方向上的凹形障礙物能夠正確識(shí)別，并能自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作進(jìn)行跨越或避開，為機(jī)器人避障研究提供了新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪磊，曾慶化，莊瞳，劉建業(yè).依靠自身傳感器的室內(nèi)無人機(jī)自主導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012，29（8）：160-163.

[2]張克健.車輛地面力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.