胡玉龍+王金祥

摘 要：基于激光與聲納傳感器的機(jī)器人避障方法首先通過對(duì)聲納傳感器和激光傳感器獲取的信息融合檢測(cè)出工作環(huán)境中的障礙物信息，然后使用回溯算法，排除干擾項(xiàng)并路徑規(guī)劃找到最為合適的行進(jìn)路線，避開障礙物，使移動(dòng)機(jī)器人可以繼續(xù)行進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本避障方法能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)并規(guī)避障礙物，避障效果較好。

關(guān)鍵詞：信息融合；移動(dòng)機(jī)器人；路徑規(guī)劃；規(guī)避障礙物

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.137

1 研究的現(xiàn)狀及意義

移動(dòng)機(jī)器人的研究問題是新世紀(jì)以來科學(xué)研究領(lǐng)域的熱門話題。機(jī)器人的研究和發(fā)展已經(jīng)成為了衡量高新科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。不論是抗震救災(zāi)中對(duì)受難人群的搜尋，還是對(duì)復(fù)雜未知特殊環(huán)境的探索，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)與之密不可分。尤其是機(jī)器人避障技術(shù)的研究已經(jīng)成為當(dāng)今科技發(fā)展的重中之重。

基于激光與聲納傳感器的機(jī)器人避障方法，通過聲納傳感器短距離對(duì)所屬環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，可以檢測(cè)出體積較大的障礙物，通過激光傳感器可以非常精確、快速地獲取長(zhǎng)距離環(huán)境內(nèi)的障礙物的距離信息。但是，聲納傳感器發(fā)射的超聲波在長(zhǎng)距離檢測(cè)中常出現(xiàn)能量衰減問題和易受到鏡面漫反射的影響，激光傳感器發(fā)射的激光在遇到不同的障礙物時(shí)反射效果不同，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。兩者結(jié)合使用，顯著提高了機(jī)器人對(duì)障礙物的檢測(cè)能力和判斷能力，從而保障了機(jī)器人對(duì)路徑的規(guī)劃及選擇的精確度，有效的提高了機(jī)器人的復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)能力和自調(diào)節(jié)能力。

2 障礙物檢測(cè)

2.1 聲納定位障礙物

在空氣中傳播時(shí)，超聲波具有很強(qiáng)方向性，能量也易于集中。聲納定位障礙物一般都是通過聲波測(cè)距實(shí)現(xiàn)的。聲納傳感器發(fā)出聲波信號(hào)，當(dāng)聲波信號(hào)遇到障礙物時(shí)會(huì)反射回來，通過采集反射時(shí)間可以計(jì)算出障礙物的位置。

假設(shè)聲納傳感器在第一時(shí)刻發(fā)出聲波信號(hào)，其在空氣中以每秒340米的速度傳播，在第二時(shí)刻接收到反射波，這兩個(gè)時(shí)刻的時(shí)間差與速度的積的一半就可以確定出機(jī)器人與障礙物的距離。

2.2 激光定位障礙物

本實(shí)驗(yàn)采用的是三維激光傳感器，可以實(shí)現(xiàn)正向180度范圍內(nèi)激光測(cè)距。其檢測(cè)原理與上述聲納傳感器相同。

假設(shè)激光傳感器可以檢測(cè)的半徑為r，在時(shí)刻發(fā)出一束激光。激光的傳播速度為，則等待接收反射激光的時(shí)間為：=2r/c。此等待時(shí)間為理想狀態(tài)下的接收時(shí)間。當(dāng)實(shí)際接收時(shí)間大于+k時(shí)（k為允許內(nèi)的誤差閾值），則視為超過了檢測(cè)范圍；若實(shí)際接收時(shí)間小于-k時(shí)，則視為檢測(cè)到障礙物，并計(jì)算出與障礙物距離為（。

由機(jī)器人與障礙物的距離S已經(jīng)激光掃描角度w可以計(jì)算出障礙物所處的方位，通過X = S * ，由此可推斷出障礙物位于機(jī)器人正前方X米偏左w度（偏右，具體角度取決于w的大?。?。

3 自主避障算法

移動(dòng)機(jī)器人的避障問題是新世紀(jì)以來科學(xué)研究領(lǐng)域的熱門話題。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際情況將機(jī)器人的自主避障劃分為實(shí)時(shí)地圖繪制和路徑規(guī)劃。

3.1 障礙物的檢測(cè)

當(dāng)機(jī)器人向前行駛時(shí)，聲吶傳感器和激光傳感器同時(shí)工作。當(dāng)聲納傳感器檢測(cè)出前方、左前方或右前方任何一個(gè)方向有障礙物時(shí)，此時(shí)應(yīng)該結(jié)合激光傳感器的檢測(cè)結(jié)果；若二者檢測(cè)的結(jié)果都符合障礙物的特征，則在機(jī)器人視野中標(biāo)記出障礙物的坐標(biāo)。若二者檢測(cè)的結(jié)果不相符時(shí)則暫時(shí)放棄此次檢測(cè)信息，多次檢測(cè)到信息一致時(shí)確定并記錄障礙物的距離與方位信息，然后機(jī)器人根據(jù)路徑選擇策略，選擇正確的路徑繼續(xù)行進(jìn)。

3.2 路徑規(guī)劃算法

機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題是當(dāng)今社會(huì)科研的熱門話題。隨著科技發(fā)展的日漸迥異，路徑規(guī)劃算法不斷更新改進(jìn)。以往的路徑規(guī)劃問題就是在有障礙物干擾的工作環(huán)境中，按照相應(yīng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)（最短響應(yīng)時(shí)間，最短距離等）找到一條從當(dāng)前位置到達(dá)目的終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路線。

本實(shí)驗(yàn)采用回溯算法作為機(jī)器人選擇路徑的依據(jù)。具體流程如下：

①判斷前方坐標(biāo)是否為-1（表示沒有通路的點(diǎn)），是，則執(zhí)行⑥，否則，執(zhí)行②；

②判斷是否出現(xiàn)障礙物，若出現(xiàn)，則執(zhí)行③，否則，執(zhí)行⑦；

③判斷正前方是否有障礙物出現(xiàn)，是，則執(zhí)行④，否則，調(diào)整機(jī)器人的方向，執(zhí)行⑥；

④判斷左前方是否有障礙物出現(xiàn)，是，則執(zhí)行⑤，否則，調(diào)整機(jī)器人的方向，執(zhí)行⑥；

⑤判斷右前方是否有障礙物出現(xiàn)，是，則執(zhí)行⑥，否則，調(diào)整機(jī)器人的方向，執(zhí)行⑦；

⑥記錄該位置的坐標(biāo)，并將標(biāo)記設(shè)置為-1，后退一步，執(zhí)行①；

⑦將該坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)置為1，繼續(xù)前進(jìn)。

該算法具有簡(jiǎn)單明確的算法結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確快速地找到合適的路線，所需等待的響應(yīng)時(shí)間短，大大提高了機(jī)器人的運(yùn)行效率。在實(shí)際運(yùn)行中，可以快速準(zhǔn)確地找到合適的避障方案，有效的提高了機(jī)器人的復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)能力和自調(diào)節(jié)能力。

4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)及分析

實(shí)驗(yàn)情況下，除了在傳感器正好卡在兩個(gè)等距障礙物且兩個(gè)障礙物與傳感器的距離都在需要緊急避障范圍內(nèi)這種特殊情況下機(jī)器人會(huì)原地?fù)u擺無作為，時(shí)間稍長(zhǎng)便會(huì)適當(dāng)退后，其他情況下均能實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，不是墻面的障礙物能平滑躲過，墻面基本能平緩貼近沿著走，若突然一個(gè)活動(dòng)障礙物出現(xiàn)在機(jī)器人的緊急避障范圍內(nèi)，機(jī)器人會(huì)急停并原地轉(zhuǎn)向，若周圍沒有活動(dòng)障礙物，機(jī)器人基本不會(huì)進(jìn)入緊急避障，總體來看，依據(jù)此避障算法可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)避障，效果較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于激光與聲納傳感器的機(jī)器人避障方法具有很強(qiáng)的魯棒性和實(shí)用性，該算法可以很好的檢測(cè)出障礙物，并且在很短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)找到最為合適的路徑，機(jī)器人可以避開障礙物行進(jìn)。

作者簡(jiǎn)介：胡玉龍（1996-），男，湖北襄陽人，本科。endprint