楊 怡，李文鋒

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，武漢 430063)

0 引言

自主跟隨與避障能讓輪椅更加智能化，減輕看護(hù)人員和輪椅使用者的操作負(fù)擔(dān)。自主跟隨從某種程度上來(lái)說(shuō)可以看成一種特殊的人機(jī)交互方式，機(jī)器人利用傳感器對(duì)目標(biāo)人員進(jìn)行識(shí)別和定位，然后進(jìn)行相應(yīng)決策，控制運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，保證自身與目標(biāo)人員之間的相對(duì)位置［1］。

目前主要有兩種方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別定位和自主跟隨。一種是通過(guò)攝像頭或者視覺傳感器獲取目標(biāo)的圖像信息，通過(guò)圖像處理方法識(shí)別目標(biāo)人員，并通過(guò)圖像信息判斷目標(biāo)相對(duì)于機(jī)器人的遠(yuǎn)近及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)［2-3］; 另一種是通過(guò)一些非視覺的相對(duì)定位方式如:超聲波［4-5］，激光雷達(dá)［6-7］，接收信號(hào)強(qiáng)度指示 (received signal strength indication，RSSI)近場(chǎng)測(cè)距［8］等，單獨(dú)使用一種或者多種組合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別與定位。但是圖像處理方式算法比較復(fù)雜，對(duì)硬件設(shè)備的處理能力和內(nèi)存容量要求較高。而且當(dāng)機(jī)器人周圍的其他人員的著裝與目標(biāo)人員較為相似時(shí)系統(tǒng)容易識(shí)別錯(cuò)誤，丟失目標(biāo)［9］。超聲波和激光雷達(dá)等方式只能獲取周圍物體的距離，不能對(duì)不同的人員進(jìn)行區(qū)分，而RSSI近場(chǎng)測(cè)距的方式可以利用無(wú)線模塊的匹配ID對(duì)不同人員和使用者進(jìn)行區(qū)分。

本文利用激光雷達(dá)掃描探測(cè)周圍的人員和物體的位置，再結(jié)合ibeacon模塊的信號(hào)強(qiáng)度RSSI值將目標(biāo)人員識(shí)別出來(lái)，根據(jù)目標(biāo)人員和障礙物的位置信息，利用模糊控制方法，將跟隨與避障進(jìn)行綜合決策，控制輪椅的線速度和角速度以實(shí)現(xiàn)自主跟隨與避障。

1 輪椅硬件平臺(tái)

本文對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)輪椅控制器進(jìn)行改進(jìn)，在操縱桿控制的基礎(chǔ)上接入外部信號(hào)控制;信號(hào)處理模塊結(jié)合傳感器的數(shù)據(jù)確定被跟隨目標(biāo)和障礙物與輪椅之間的相對(duì)位置，利用模糊控制方法決策輪椅的運(yùn)動(dòng)速度，然后通過(guò)IIC總線給輪椅控制器發(fā)送控制指令，控制輪椅運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輪椅的自主跟隨和避障。

輪椅跟隨系統(tǒng)如圖1所示，在輪椅的左前方安置一個(gè)激光掃描測(cè)距雷達(dá)，利用其對(duì)輪椅前方的人員及障礙物情況進(jìn)行探測(cè)，然后再通過(guò)輪椅左右兩側(cè)放置的兩個(gè)ibeacon定位模塊與目標(biāo)人員身上的手機(jī)組成識(shí)別定位系統(tǒng)，利用目標(biāo)人員身上的手機(jī)與ibeacon定位模塊進(jìn)行匹配，獲取定位模塊的ID和信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)分析信號(hào)強(qiáng)度來(lái)對(duì)目標(biāo)人員進(jìn)行定位，并與激光掃描測(cè)距雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，將目標(biāo)人員從輪椅周圍的各人員與物體中識(shí)別出來(lái)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)人員的準(zhǔn)確識(shí)別以及確定目標(biāo)的位置。同時(shí)，在輪椅前下方布置兩個(gè)超聲波傳感器，探測(cè)較低的障礙物，并進(jìn)行緊急避障，提高輪椅系統(tǒng)的安全性。

圖1 輪椅實(shí)物圖

2 目標(biāo)識(shí)別定位方法

2.1 激光掃描探測(cè)

本文利用RPLIDAR A1 360度激光掃描測(cè)距雷達(dá)對(duì)輪椅前方的人員和障礙物情況進(jìn)行探測(cè)，激光掃描測(cè)距雷達(dá)安裝于輪椅左前方，高度約為90 cm，掃描頻率最高可達(dá)10 Hz，測(cè)距范圍0.15～6 m，在約3 m范圍內(nèi)可以準(zhǔn)確測(cè)到人體，距離分辨率小于實(shí)測(cè)距離的1%，可剛好掃描一周360個(gè)采樣點(diǎn)。因激光掃描雷達(dá)的后方為輪椅使用者，對(duì)其后方的探測(cè)意義不大，故只獲取前方180個(gè)掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)，其逆時(shí)針進(jìn)行掃描探測(cè)，測(cè)量示意如圖2所示，輸出的是物體相對(duì)于點(diǎn)L的極坐標(biāo):

圖2 激光雷達(dá)掃描探測(cè)示意圖

根據(jù)傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度和實(shí)際需求情況，僅對(duì)2.5 m內(nèi)的人員和障礙物進(jìn)行探測(cè)，并根據(jù)人員和障礙物的探測(cè)點(diǎn)的連續(xù)性，通過(guò)設(shè)定閾值，對(duì)探測(cè)到的物體的邊界進(jìn)行確定。當(dāng)時(shí)，則認(rèn)為產(chǎn)生邊界，若，則將點(diǎn)作為物體的右邊界點(diǎn);若，則將點(diǎn)作為物體的左邊界點(diǎn)。因此每個(gè)物體Bk均對(duì)應(yīng)一組為從左到右的序列點(diǎn) (pk0，pk1，．．，pkN)，為了減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)同時(shí)又能較準(zhǔn)確的表示物體的位置，每組序列點(diǎn)只保留左中右3個(gè)掃描點(diǎn)，即物體Bk表示為(pk0，輪椅周圍人員和障礙物的位置情況可描述為Bk的集合{B1，B2，…，BK}。

2.2 目標(biāo)識(shí)別定位

由于激光掃描測(cè)距雷達(dá)只能獲取目標(biāo)人員與障礙物相對(duì)于輪椅的位置，而不能對(duì)目標(biāo)人員與障礙物進(jìn)行區(qū)分，因此利用ibeacon的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)目標(biāo)人員進(jìn)行識(shí)別，目標(biāo)人員身上攜帶的手機(jī)與輪椅上的兩個(gè)ibeacon模塊進(jìn)行匹配，感知處理系統(tǒng)獲取兩個(gè)ibeacon模塊與手機(jī)間的RSSI值，進(jìn)行分析得出目標(biāo)人員的位置，并與激光掃描測(cè)距雷達(dá)所探測(cè)到的輪椅周圍情況進(jìn)行比對(duì)分析，以此來(lái)對(duì)目標(biāo)人員和非目標(biāo)人員進(jìn)行區(qū)分。

目標(biāo)人員的位置的獲取采用對(duì)數(shù)距離損耗模型進(jìn)行RSSI定位［10］，即:

其中:P(dB)為相距信號(hào)發(fā)出點(diǎn)d米處的信號(hào)衰減量，P(dEF)為相距信號(hào)發(fā)出點(diǎn)dEF米處的信號(hào)衰減量，dEF為參考距離，單位為米，n為具體環(huán)境下電磁波衰減因子。假設(shè)相距發(fā)出點(diǎn)d米處接受到的功率值為RSSI，參考位置為1米處，即dEF為1米，距離發(fā)射點(diǎn)1米處的功率值為P0，則由 (2)式可得:

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)P0和n進(jìn)行標(biāo)定，便可以利用目標(biāo)攜帶手機(jī)相對(duì)于左右兩個(gè)ibeacon模塊的RSSI值計(jì)算出目標(biāo)與左右兩個(gè)ibeacon模塊之間的距離。

在實(shí)際場(chǎng)景中，目標(biāo)人員處于輪椅前方，故利用目標(biāo)人員T相對(duì)于點(diǎn)L和R的距離dL和dR即可確定目標(biāo)人員相對(duì)于輪椅的位置。同時(shí)激光掃描測(cè)距雷達(dá)探測(cè)到的輪椅周圍物體Bk上各掃描點(diǎn)相對(duì)于點(diǎn)L的位置，物體Bk并非一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，而是以左中右 3個(gè)掃描點(diǎn)進(jìn)行描述pkN)，故物體Bk與目標(biāo)T間的相近程度可用Bk的3個(gè)掃描點(diǎn)與目標(biāo)T間的距離之和表示，即:

求出最小相近程度 Dmin=min{D1，D2，．．，DK}，若物體Bm的相近程度最小，則表示在激光掃描測(cè)距雷達(dá)探測(cè)到的輪椅周圍物體中，物體Bm所處位置與目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度發(fā)射位置最為匹配，若同時(shí)滿足Dmin＜Dth，則可判斷物體Bm即為所需要跟隨的目標(biāo)人員，其他物體則均認(rèn)為是障礙物，因激光掃描測(cè)距雷達(dá)的測(cè)距精度較高，故將激光掃描測(cè)距雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果作為目標(biāo)人員的準(zhǔn)確位置;若Dmin＞Dth，則可判斷目標(biāo)丟失，此種情況可能是因?yàn)槟繕?biāo)人員與輪椅之間存在障礙物，導(dǎo)致激光掃描雷達(dá)沒有探測(cè)到目標(biāo)人員，此時(shí)控制輪椅停止，發(fā)出警報(bào)，并繼續(xù)通過(guò)激光掃描雷達(dá)和iBeacon模塊定位目標(biāo)。

為了便于后續(xù)計(jì)算，將激光掃描雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)人員和障礙物的位置轉(zhuǎn)換到輪椅坐標(biāo)系中，即:

其中:(x，y)為各點(diǎn)在輪椅坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，(xL，yL)為激光掃描雷達(dá)在輪椅坐標(biāo)系中的位置，(r，θ)為各點(diǎn)相對(duì)于激光掃描雷達(dá)的極坐標(biāo)。

3 輪椅運(yùn)動(dòng)控制方法

3.1 整體控制策略

通過(guò)對(duì)輪椅的自主跟隨與避障過(guò)程進(jìn)行分析，本文在模糊控制算法的基礎(chǔ)上，提出一種綜合考慮目標(biāo)人員和障礙物影響下輪椅線速度和角速度的控制策略。系統(tǒng)的整體控制策略如圖3所示。

圖3 輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)圖

輪椅線速度和角速度的控制分為兩部分，一方面是目標(biāo)移動(dòng)時(shí)對(duì)輪椅產(chǎn)生的“吸引”作用，

(XT，YT)為目標(biāo)人員的絕對(duì)坐標(biāo)，目標(biāo)人員的移動(dòng)會(huì)使得輪椅與目標(biāo)人員之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，而目標(biāo)人員與輪椅間的相對(duì)位置(dT，θT)可通過(guò)傳感器探測(cè)出，與期望的目標(biāo)人員和輪椅間的相對(duì)位置(dset，θset)進(jìn)行比較，得到偏差(ed，eθ)，將此偏差作為自主跟隨模糊控制器的輸入，進(jìn)而決策出目標(biāo)影響下的輪椅跟隨線速度va和角速度ωa;另一方面是周圍的障礙物對(duì)輪椅產(chǎn)生的“排斥”作用，當(dāng)障礙物進(jìn)入到輪椅的避障決策區(qū)域后，激光掃描雷達(dá)探測(cè)障礙物相對(duì)于輪椅的位置(xB，yB)，與期望的障礙物和輪椅間的相對(duì)位置 (xset，yset)進(jìn)行比較，得到偏差(ex，ey)，將此偏差作為自主避障模糊控制器的輸入，進(jìn)而決策出障礙物影響下的輪椅避障線速度vr和角速度ωr。最后綜合目標(biāo)人員和障礙物的決策結(jié)果，得到輪椅運(yùn)動(dòng)速度，線速度以前進(jìn)為正方向，角速度以逆時(shí)針為正方向。

自主跟隨與避障的原理如圖4所示，目標(biāo)人員的位置取其中間的掃描點(diǎn)的坐標(biāo)。而障礙物的位置則用其橫向偏差最大的掃描點(diǎn)的橫坐標(biāo)xB與縱向偏差最大的掃描點(diǎn)的縱坐標(biāo)yB來(lái)表示。對(duì)于多個(gè)障礙物的情況，選取距離輪椅最近的障礙物來(lái)進(jìn)行避障決策。

3.2 模糊控制規(guī)則

圖4 輪椅自主跟隨避障原理圖

根據(jù)輪椅運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的跟隨避障需求，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)定目標(biāo)期望位置為輪椅正前方，dset為200 cm，θset為90度。距離偏差ed的范圍取 ［－40，100］;角度偏差eθ的范圍?。郏?0，40］。輪椅橫向尺寸約為52 cm，縱向尺寸約為80 cm。避障決策區(qū)域?yàn)榛疑娇颍瑇set取50 cm，yset取330 cm;橫向偏差ex范圍?。郏?0，50］，障礙物在左側(cè)是為正，縱向偏差ey的范圍取 ［0，200］，當(dāng)縱向偏差大于200 cm時(shí)表明障礙物與輪椅距離過(guò)近，判斷為緊急避障情況，控制輪椅緊急停止。據(jù)文獻(xiàn)［11］中的研究可知，人體的正常步行速度為1～1.6 m/s，在后退時(shí)速度較慢，故取輪椅運(yùn)動(dòng)線速度范圍為 ［－50，180］，單位為cm/s;輪椅運(yùn)動(dòng)角速度范圍為 ［－68，68］，單位為度/s。

對(duì)于常見的五模糊數(shù)的模糊集合，模糊語(yǔ)言集合對(duì)應(yīng)的元素是 NB(負(fù)大)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS(正小)，PB(正大)。為簡(jiǎn)化計(jì)算量，采用三角形隸屬度函數(shù)［12］。各變量的隸屬度函數(shù)如圖5所示。

圖5 各變量的隸屬度函數(shù)

模糊控制規(guī)則如表1～4所示。跟隨線速度va主要取決于距離偏差ed，角速度ωa主要取決于角度偏差eθ。當(dāng)ed為NB表示目標(biāo)離輪椅非常近，極有可能發(fā)生碰撞，因此要讓輪椅停止，甚至是后退以消除這種危險(xiǎn)情況。當(dāng)eθ和ed均為PB時(shí)，va并不設(shè)定為PB而是設(shè)定為PS，因?yàn)榻撬俣群途€速度同時(shí)最大時(shí)輪椅控制性能降低，方向容易偏差，所以降低速度，先調(diào)整好方向。避障線速度vr主要取決于橫障礙物縱向偏差ey，角速度ωr主要取決于橫向偏差ex。而當(dāng)ex為NB或PB時(shí)，表明障礙物在輪椅正前方，因此應(yīng)該將避障線速度vr設(shè)置較高以降低輪椅的前進(jìn)速度，通過(guò)較大的角速度迅速避開障礙物。

表1 跟隨線速度模糊規(guī)則表

同時(shí)利用超聲波傳感器進(jìn)行緊急避障，當(dāng)探測(cè)到輪椅前方50 cm內(nèi)存在物體時(shí)，馬上停止輪椅，然后控制輪椅后退一段距離后整個(gè)系統(tǒng)再重新開始探測(cè)，防止一些突發(fā)狀況造成危險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的安全性。

表2 跟隨角速度模糊規(guī)則表

表3 避障線速度模糊規(guī)則表

4 算法驗(yàn)證

4.1 目標(biāo)識(shí)別定位實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證目標(biāo)識(shí)別算法的有效性，本實(shí)驗(yàn)在目標(biāo)人員周圍安排干擾人員，將算法的識(shí)別與定位結(jié)果和實(shí)際情況進(jìn)行分析比較，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示。

表4 避障角速度模糊規(guī)則表

目標(biāo)人員分別位于輪椅左前方、正前方及右前方，干擾人員則位于目標(biāo)人員左側(cè)或右側(cè)，測(cè)試6組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。T為目標(biāo)人員，B為干擾人員。分析可知第2組數(shù)據(jù)中激光掃描雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果與目標(biāo)人員的實(shí)際位置誤差最大，為7.6 cm，精度較高;而RSSI的定位結(jié)果與實(shí)際情況還是有比較大的差距，第3組數(shù)據(jù)中RSSI定位的誤差最大，為25 cm。但是實(shí)際情況中干擾人員與目標(biāo)人員間的中心距離一般在60 cm以上，故通過(guò)RSSI的定位結(jié)果還是可以較為準(zhǔn)確的區(qū)分出目標(biāo)人員與干擾人員。

圖6 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

表5 人員定位結(jié)果

4.2 自主跟隨實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證輪椅自主跟隨與避障控制策略的有效性，目標(biāo)人員沿一定路徑行走，在路徑周圍安排干擾人員作為障礙物，測(cè)試輪椅在跟隨過(guò)程中避障功能。采樣周期為100 ms，圖7為行走路徑及障礙物示意圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖可知，在4 300 ms左右輪椅開始跟隨目標(biāo)人員右轉(zhuǎn)并避開障礙物1，此過(guò)程中距離偏差與角度偏差波動(dòng)最大，距離偏差最大達(dá)到88 cm，最小達(dá)到－25 cm，角度偏差最大達(dá)到－47度。在8 300 ms左右輪椅探測(cè)到障礙物2，此過(guò)程中距離偏差最大達(dá)到67 cm，角度偏差最大達(dá)到－20度。在11 100 ms左右輪椅跟隨目標(biāo)人員左轉(zhuǎn)，距離偏差最大達(dá)到44 cm，角度偏差最大達(dá)到42度。雖然在這些較特殊情況下偏差波動(dòng)較大，但是在產(chǎn)生偏差后輪椅能根據(jù)偏差快速進(jìn)行調(diào)整，距離偏差和角度偏差均能控制在一定范圍內(nèi)。而當(dāng)目標(biāo)人員正常前行時(shí)距離偏差約在0～40 cm之間，角度偏差約在在－10～10度之間，波動(dòng)較小，總體來(lái)說(shuō)跟隨效果較好。

圖7 行走路徑及障礙物示意圖

圖8 目標(biāo)人員距離偏差

圖9 目標(biāo)人員角度偏差

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了基于模糊控制的輪椅自主跟隨與避障系統(tǒng)的硬件平臺(tái)及控制方法。利用激光掃描雷達(dá)和iBeacon模塊對(duì)目標(biāo)人員和障礙物進(jìn)行識(shí)別定位，建立模糊控制規(guī)則，將跟隨與避障進(jìn)行綜合決策，控制輪椅的線速度和角速度以實(shí)現(xiàn)自主跟隨與避障。實(shí)驗(yàn)表明輪椅能準(zhǔn)確的識(shí)別出目標(biāo)人員和干擾人員，目標(biāo)人員與輪椅之間的距離和方向能保證在一定范圍內(nèi)，跟隨效果較好，同時(shí)在跟隨過(guò)程中能準(zhǔn)確避開障礙物。