楊建峰 楊麗英 劉珍娜

摘 要：本文就應(yīng)用于城市清潔的自動洗地機(jī)器人展開研究，設(shè)計一種多傳感器融合的避障系統(tǒng)。選用合適傳感器，并在機(jī)器人上進(jìn)行合理布局；分析清潔區(qū)域環(huán)境，以得出合理高效的避障策略。

關(guān)鍵詞：環(huán)境感知；多傳感器融合；避障策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.138

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，人們對城市清潔提出越來越高的要求，應(yīng)用自動化的清潔設(shè)備已是越來越普遍。自動洗地清潔機(jī)器人處于不同的環(huán)境情況下，會遇到不同的障礙物布局等，因此自然要求清潔機(jī)器人就有不一樣的反應(yīng)。在自動洗地清潔機(jī)器人無人操作值守的情況下，清潔機(jī)器人就必須實現(xiàn)運行的自主性，依靠各傳感器自動的躲避清潔空間中的各種障礙，從而完成清潔任務(wù)[1]。

1 環(huán)境感知

時刻感知環(huán)境變化是清潔機(jī)器人必須具有的一種能力，而傳感器在清潔機(jī)器人的感知系統(tǒng)中扮演著不可或缺的重要角色，這些傳感器通過清潔機(jī)器人相關(guān)接口與外部環(huán)境進(jìn)行連接，以獲取外部環(huán)境信息[2]。清潔機(jī)器人對采集的外部環(huán)境信息，通過某種適當(dāng)?shù)姆椒?，對傳感器獲取的環(huán)境信息進(jìn)行綜合處理，從而感知環(huán)境變化控制清潔機(jī)器人做出相關(guān)的動作。

2 多傳感器融合系統(tǒng)

多傳感器信息融合如同人腦對信息的綜合處理過程，依據(jù)多傳感器資源并將各傳感器獲取的信息進(jìn)行合理的分配使用。隨后把各傳感器的互補(bǔ)及多余信息按照一定準(zhǔn)則優(yōu)化組合，進(jìn)而獲得對當(dāng)前區(qū)域環(huán)境的一致性描述與解釋。借助多傳感器的協(xié)同配合，以提升整個傳感器系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及有效性[3]。

3 傳感器選取

洗地清潔機(jī)器人處于復(fù)雜環(huán)境中，運行環(huán)境很不穩(wěn)定并且也不能預(yù)知障礙物的種類。選用機(jī)器人內(nèi)部傳感器編碼器及電子羅盤來實現(xiàn)自動洗地清潔機(jī)器人在工作環(huán)境中的的定位與導(dǎo)航。對于較大障礙物的躲避與測距選用長距離探測能力較強(qiáng)的超聲波傳感器，用于收集機(jī)器人周圍障礙物的距離信息，比較不同方位處傳感器測得的距離信息來判斷障礙物的方位夾角。選用近距離避障靈敏度較高的紅外傳感器輔助超聲波做相應(yīng)的避障工作。通過超聲波傳感器與紅外傳感器配合，時時對周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，依據(jù)距離及方位信息選擇恰當(dāng)避障策略并做出對應(yīng)動作。

4 避障策略分析

依據(jù)環(huán)境障礙物的分類，設(shè)計洗地清潔機(jī)器人的避障動作：直接避障、等待避障、緊急剎車避障、防跌落避障。

（1）直接避障。自動洗地機(jī)器人在運動過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時，判斷障礙物的狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)是靜態(tài)障礙物，那么機(jī)器人根據(jù)既定的避障策略改變運動方向，從而避免碰撞的發(fā)生。

本文采取超聲波傳感器與紅外傳感器結(jié)合的方式，采集運動過程中前方、左右兩邊的障礙物距離信息及方位信息。在傳感器確定障礙物的分布后，做出對應(yīng)的避障動作。假設(shè)機(jī)器人前方存在障礙物，那么機(jī)器人根據(jù)清掃方位，選擇左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)動作；在機(jī)器人的前方及右側(cè)都存在障礙物時，機(jī)器人則左轉(zhuǎn)以避開障礙，最后再回到原清掃方向；同理對于前方及左側(cè)都有障礙物時，機(jī)器人右轉(zhuǎn)避開障礙，最后再回到原清掃方向。

（2）等待避障。等待避障是針對運動環(huán)境中動態(tài)障礙物而言。對于動態(tài)障礙物的判斷，選擇二次檢測的方法。在機(jī)器人前進(jìn)運動過程中對發(fā)現(xiàn)的障礙物進(jìn)行兩次檢測，第一次發(fā)現(xiàn)障礙物時記錄距離信息，此后機(jī)器人繼續(xù)前行隨后再記錄第二次的距離信息。對二者的距離信息關(guān)系進(jìn)行比較從而得出障礙物的狀態(tài)。假設(shè)第一次測得的障礙物距離信息為X1，此后機(jī)器人的運行距離為L，隨后第二次測得的障礙物信息為X2。那么：

若X1-X2=L ，則障礙物為靜態(tài)。

若X1-X2L，則障礙物為動態(tài)。

對于動態(tài)障礙物，采取等待避障策略。判斷為動態(tài)障礙物后，機(jī)器人進(jìn)行等待，隨后每間隔兩秒鐘對障礙物進(jìn)行檢測獲取距離信息，若距離在允許安全范圍之內(nèi)，則機(jī)器人繼續(xù)前行進(jìn)行清潔工作。

（3）緊急剎車避障。對于突然出現(xiàn)的動態(tài)障礙物與未能及時檢測到的靜態(tài)障礙物，以及機(jī)器人與其發(fā)生碰撞時，此時機(jī)器人采取緊急剎車動作，停止前進(jìn)從而避免造成損害。待動態(tài)障礙物消失后，機(jī)器人繼續(xù)清掃工作。若瀕臨的是靜態(tài)障礙物，那么機(jī)器人采取原路倒退，隨后再采取相應(yīng)轉(zhuǎn)向策略以避開障礙物。

（4）防跌落避障。對于清掃空間中的臺階等障礙容易使得機(jī)器人從清掃平面跌落下去，對于這種問題在車體底盤四角處安裝有紅外傳感器，用于檢測與地面之間的距離，當(dāng)檢測到的距離大于設(shè)定值的時候，機(jī)器人控制器做出相應(yīng)指令使得機(jī)器人倒退，從而避免機(jī)器人跌落現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結(jié)束語

本文主要對自動洗地清潔機(jī)器人進(jìn)行多傳感器融合避障研究。首先對工作環(huán)境進(jìn)行分析，選擇出適宜的傳感器組成多傳感器系統(tǒng)應(yīng)用到自動洗地清潔機(jī)器人上，以實現(xiàn)在運動過程中能實時躲避障礙，并結(jié)合環(huán)境及障礙物位置分析了對應(yīng)的避障策略。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝振南.多傳感器信息融合技術(shù)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]袁慶，朱毅.多傳感器信息融合在輪式機(jī)器人運動控制中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（02）：118.

[3]司興濤.多傳感器信息融合技術(shù)及其在移動機(jī)器人方面的應(yīng)用[D].淄博：山東理工大學(xué)，2009.

[4]陳奕君.基于多傳感器信息融合的機(jī)器人避障研究[D].大慶： 東北石油大學(xué)，2014.

基金項目：校級課題：課題名稱：基于多傳感器融合的位姿檢測系統(tǒng)。課題編號：2018KJ01。

作者簡介：楊建峰（1991-），男，山東泰安人，碩士，初級，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)及機(jī)器人控制應(yīng)用技術(shù)。