徐博文　王金祥

摘 要： 本文使用“基速度+速度差”的方法控制機(jī)器人跟蹤目標(biāo)，通過(guò)激光傳感器獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相對(duì)于機(jī)器人的位置信息，根據(jù)目標(biāo)位置的不同給出控制策略，實(shí)時(shí)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的線速度和角速度，進(jìn)而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的平滑跟蹤，算法實(shí)時(shí)性高，魯棒性好。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人；激光傳感器；目標(biāo)跟蹤

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.124

1 研究的現(xiàn)狀及意義

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，機(jī)器人在人們的日常生活中的角色越來(lái)越重要。移動(dòng)機(jī)器人的研究領(lǐng)域涉眾多，如人工智能、電氣自動(dòng)化、電子信息與工程等等。移動(dòng)機(jī)器人是運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃、環(huán)境感知的多功能綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是目前科學(xué)研究中的熱門領(lǐng)域之一。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是移動(dòng)機(jī)器人最基本的功能，也是移動(dòng)機(jī)器人的靈魂，如何合理、有效地解決運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題至關(guān)重要。

2 激光傳感器目標(biāo)定位方法

激光傳感器的工作原理是用一個(gè)完整的高速旋轉(zhuǎn)的反光鏡將原本向前直線射出的激光反射到前方不同的角度，掃描獲得前方的一片輻射狀二維平面信息。激光發(fā)射出去，照射到物體表面反射回來(lái)被激光傳感器接收。根據(jù)接收到反射光的時(shí)間長(zhǎng)短測(cè)算出物體距離機(jī)器人的距離信息，根據(jù)收到反射光的角度獲取物體距離機(jī)器人的方位信息。由于本文主要研究跟蹤方法、速度與軌跡控制，所以實(shí)驗(yàn)中以距離機(jī)器人最近的目標(biāo)為機(jī)器人要跟蹤的目標(biāo)，這樣機(jī)器人視野中即使目標(biāo)移動(dòng)，機(jī)器人仍會(huì)捕獲到目標(biāo)信息，從而為跟蹤算法的應(yīng)用打下良好的實(shí)驗(yàn)條件。

3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤方法

機(jī)器人的直線跟蹤策略。采用先加速行駛到理想跟蹤速度，然后以此速度勻速行駛一段距離，最后減速行駛到達(dá)目的地。這樣做的主要目的是為了避免速度的突變量太大對(duì)電機(jī)和齒輪造成傷害和造成跟蹤軌跡搖擺。這樣設(shè)計(jì)能使機(jī)器人速度變化時(shí)有一定的緩沖，可以較好地實(shí)現(xiàn)平滑跟蹤。

機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)跟蹤策略。因?yàn)闄C(jī)器人左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別由一個(gè)電機(jī)單獨(dú)進(jìn)行控制，所以可以分別設(shè)置左輪和右輪的速度，當(dāng)左輪和右輪的速度不一致時(shí)，機(jī)器人前進(jìn)的方向就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。若左輪的速度大于右輪時(shí)，且都為正速度時(shí)，機(jī)器人就會(huì)向右偏轉(zhuǎn)，反之亦然。若左輪的速度為一個(gè)正定值速度，右輪這個(gè)速度的負(fù)值時(shí)，機(jī)器人就會(huì)順時(shí)針快速自轉(zhuǎn)，反之亦然。

基于柵格的目標(biāo)跟蹤策略。當(dāng)目標(biāo)在機(jī)器人前方不是直線運(yùn)動(dòng)，而是朝任意方向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，此時(shí)機(jī)器人再走固定的圓形軌跡便不能跟蹤目標(biāo)了，機(jī)器人得根據(jù)目標(biāo)與自身之間的距離信息和目標(biāo)的方位角信息進(jìn)行相應(yīng)的曲線運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，采用柵格法跟進(jìn)的方式便可以解決這一問(wèn)題，激光掃描會(huì)獲得機(jī)器人前方的一片輻射狀二維平面信息，將這塊二維平面劃分成若干個(gè)不同的區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域分別為機(jī)器人設(shè)計(jì)一套跟蹤方案。這樣，無(wú)論目標(biāo)落在哪一個(gè)區(qū)域，機(jī)器人都能有一套跟蹤方案追蹤目標(biāo)。

具體算法描述如下：

步驟一：通過(guò)激光傳感器實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)與傳感器之間的距離和目標(biāo)的方位角信息。

步驟二：根據(jù)距離和角度信息與預(yù)先劃分好的區(qū)域作比較，得到目標(biāo)所在區(qū)域。

步驟三：根據(jù)目標(biāo)所在區(qū)域及預(yù)先設(shè)定的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方案設(shè)置機(jī)器人左右輪速。

步驟四：重復(fù)步驟一，直至跟蹤結(jié)束。

基于“基速度+速度差”跟蹤策略。目標(biāo)從某一塊區(qū)域運(yùn)動(dòng)到另一塊區(qū)域時(shí)，由于每個(gè)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)方案是預(yù)先設(shè)計(jì)好的，每個(gè)區(qū)域的左右輪速策略是固定不變，所以機(jī)器人在不同的運(yùn)動(dòng)方案之間切換時(shí)，線速度和角速度沒(méi)有平滑的變化，是突變的，這樣的運(yùn)動(dòng)方式不僅不是最理想的而且速度的突變也會(huì)對(duì)內(nèi)部電機(jī)造成負(fù)擔(dān)。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，線速度主要與左右輪的速度之和有關(guān)，角速度主要與左右輪的速度差值有關(guān)。當(dāng)目標(biāo)離機(jī)器人越遠(yuǎn)的時(shí)候，線速度應(yīng)該越大，當(dāng)目標(biāo)與機(jī)器人正前方90度方位角的偏差角越大時(shí)，機(jī)器人的角速度應(yīng)該越大這樣才能快速地調(diào)整姿態(tài)使機(jī)器人自身正對(duì)著目標(biāo)。采用“基速度+速度差”的控制方法是分別控制左右輪的速度進(jìn)而控制機(jī)器人的線速度和角速度的變化。如當(dāng)機(jī)器人向右偏轉(zhuǎn)時(shí)，左輪的速度大于右輪的速度，這時(shí)以右輪的速度為基速度，左輪的速度 = 右輪的速度 + 速度差，反之亦然。因?yàn)檩嗛g距固定可知，所以速度差越大，機(jī)器人跟蹤的角速度越大，反之亦然。由于線速度的大小與基速度相近，設(shè)右轉(zhuǎn)時(shí)右輪速度或左轉(zhuǎn)時(shí)左輪速度為基速度。

具體算法描述如下：

步驟一：通過(guò)激光傳感器實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)與傳感器之間的距離和目標(biāo)的方位角，根據(jù)距離信息與控制速度的正比例關(guān)系算出對(duì)應(yīng)的基速度，通過(guò)方位信息與控制角速度的正比例關(guān)系推算出速度差。

步驟二：如果距離信息小于等于安全距離，機(jī)器人減速停止跟蹤。如果大于安全距離小于失去目標(biāo)距離，則執(zhí)行步驟三，如果大于等于失去目標(biāo)距離，機(jī)器人減速停止跟蹤。

步驟三：如果方位角小于80度，機(jī)器人需要向右偏轉(zhuǎn)，則右輪速度為基速度，左輪速度為基速度+速度差。如果方位角大于100度，機(jī)器人需要向左偏轉(zhuǎn)，則左輪速度為基速度，右輪速度為基速度+速度差。如果方位角在80度到100度之間，機(jī)器人向前直行，左右輪的速度都為基速度，若偏轉(zhuǎn)角度增大則通過(guò)減少基速度的方式控制增大角速度。

步驟四：重復(fù)步驟一，直至停止跟蹤。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)采用的智能輪式機(jī)器人前身搭載了一個(gè)激光傳感器。該機(jī)器人由兩個(gè)在同一個(gè)軸上對(duì)稱分布的驅(qū)動(dòng)輪和后面一個(gè)萬(wàn)向從動(dòng)輪組成，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪速度控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

在本實(shí)驗(yàn)輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制測(cè)試中，“基速度+速度差”的方法比柵格法更加精確，線速度和角速度的變化也更加地平滑，具體跟蹤效果是在速度測(cè)定方面應(yīng)用柵格法跟蹤的速度變化忽高忽低，采用“基速度+速度差”跟蹤方法速度的變化平緩合理；在跟蹤軌跡測(cè)定方面，柵格法跟蹤軌跡左右擺動(dòng)較為明顯，而“基速度+速度差”跟蹤的軌跡平滑。綜上所述，本文提出的跟蹤算法跟蹤效果好，且魯棒性較強(qiáng)。

作者簡(jiǎn)介：徐博文（1996-），男，吉林延吉人，本科，通信工程（中外）專業(yè)。

*為通訊作者