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        移動(dòng)機(jī)器人自主避障能力淺析

        2021-04-27 03:16:43韓敏
        中國計(jì)算機(jī)報(bào) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:移動(dòng)機(jī)器人障礙物材質(zhì)

        韓敏

        隨著科技的不斷進(jìn)步,機(jī)器人逐漸向智能化發(fā)展,越來越多的機(jī)器人應(yīng)用在工廠、倉庫、酒店、商場(chǎng)、餐廳等復(fù)雜環(huán)境中,機(jī)器人在環(huán)境信息未知的情況下移動(dòng),會(huì)遇到各種各樣的障礙物,如何快速安全避開這些障礙,最后到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)并且順利完成任務(wù),是衡量移動(dòng)機(jī)器人性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo),也是移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜多變環(huán)境中穩(wěn)定、安全、高效完成任務(wù)的重要保障。

        避障常用傳感器

        機(jī)器人避障技術(shù)的核心包括了傳感器和規(guī)劃算法的選擇。機(jī)器人通過傳感器來感知周圍環(huán)境,就避障來說,移動(dòng)機(jī)器人需要通過傳感器實(shí)時(shí)獲取自身周圍障礙物信息,包括尺寸、形狀和位置等,常使用的傳感器包括超聲波傳感器、紅外傳感器、激光雷達(dá)和視覺傳感器。以上幾種最常見的傳感器,各有優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中,激光雷達(dá)是目前最成熟也最為核心的傳感器,同時(shí)配置其他傳感器,對(duì)不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證,以及信息融合,最大化保證在各種不同的應(yīng)用和環(huán)境條件下,機(jī)器人能夠正確感知障礙物信息,穩(wěn)定可靠的工作。

        避障常用的算法

        目前移動(dòng)機(jī)器人的避障根據(jù)環(huán)境信息的掌握程度可以分為障礙物信息已知、障礙物信息部分未知或完全未知兩種。傳統(tǒng)避障方法主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無碰撞全局路徑規(guī)劃,經(jīng)典的算法有人工勢(shì)場(chǎng)法、柵格法、自由空間法等。當(dāng)障礙物信息未知或者障礙物可移動(dòng)的情況,傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法一般不能很好的解決避障問題。而實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中,機(jī)器人大多所處的環(huán)境都是動(dòng)態(tài)、可變、未知的,隨著處理器計(jì)算能力的提高及傳感器技術(shù)的發(fā)展,一系列智能避障方法應(yīng)運(yùn)而生,智能優(yōu)化算法一般都是建立在生物智能或物理現(xiàn)象基礎(chǔ)上的隨機(jī)搜索算法,比較熱門的有遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法等,智能避障算法在很大程度上提高了機(jī)器人避障的成功率。

        避障能力測(cè)試

        為了更好地保障機(jī)器人在移動(dòng)過程中不發(fā)生碰撞,確保周圍物品、人員及機(jī)器人自身安全,機(jī)器人避障能力的檢測(cè)至關(guān)重要。機(jī)器人避障能力測(cè)試包括障礙物探測(cè)和障礙物規(guī)避測(cè)試。

        (1)障礙物探測(cè)測(cè)試是指針對(duì)不同幾何形狀和材質(zhì)的障礙物,機(jī)器人的探測(cè)能力和障礙物距離檢測(cè)能力。在障礙物探測(cè)測(cè)試中,一般基于機(jī)器人制造商指定的最小和最大傳感范圍,設(shè)置不同大小,不同形狀、不同材質(zhì)的障礙物。障礙物的選擇從材質(zhì)方面,除了墻面,木質(zhì)平面,還需測(cè)試玻璃面、鏡面等易出問題的材質(zhì);從數(shù)量方面,障礙物可設(shè)置單個(gè)和多個(gè);從狀態(tài)方面,需設(shè)置靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物;從光線的影響方面,需設(shè)置光線充足和黑暗等情況。通過多次試驗(yàn)去測(cè)試機(jī)器人發(fā)現(xiàn)障礙物的成功率,成功率越高則避障性能越好。同時(shí),還需測(cè)試機(jī)器人是否能在其相對(duì)位置的最小和最大范圍內(nèi)檢測(cè)到障礙物,并判定機(jī)器人從目標(biāo)位置檢測(cè)障礙物的距離精度和準(zhǔn)確性。

        (2)障礙物規(guī)避測(cè)試是判定機(jī)器人通過停止或執(zhí)行適當(dāng)?shù)囊?guī)避動(dòng)作來防止與靜態(tài)或動(dòng)態(tài)障礙物碰撞的能力。在障礙物與機(jī)器人的任何部分發(fā)生物理接觸前,機(jī)器人必須停止,如發(fā)生避障動(dòng)作,應(yīng)按照制造商的規(guī)定,保持障礙物與機(jī)器人任何部件之間的最小距離,如果機(jī)器人沒有達(dá)到目標(biāo)位置或在行進(jìn)過程中碰到障礙物,則視為試驗(yàn)失敗。

        目前機(jī)器人避障能力還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)時(shí)和全自主的要求,隨著傳感器技術(shù)和算法的不斷優(yōu)化,移動(dòng)機(jī)器人的障礙物識(shí)別與避障能力有待進(jìn)一步提高。

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