基于交叉探測的凹形障礙物識別方法研究

劉福

【摘 要】 針對武裝機器人在未知環境下的避障規劃問題，利用雙超聲波傳感器對凹形障礙物進行探測識別和分析研究，并提出交叉探測的識別方法。該方法簡單有效，能較快對機器人面臨的凹形障礙物進行檢測并執行相應的規避動作，能夠實現實時、穩定地避障。

【關鍵詞】 機器人 避障規劃 交叉探測

1 引言

在復雜的戰場環境下，武裝機器人不僅面臨著凸形障礙物的威脅，還時常會遇到壕溝、深坑等凹形障礙物。當前對凸形障礙物和運動障礙物的研究較多，但對于凹形障礙物的研究比較少。本文重點利用超聲探測技術[1]對履帶式機器人識別和規避凹形障礙物進行探討和研究。

2 基于交叉探測的凹形障礙物識別

2.1 對障礙物的通過性分析

對于凹形靜態障礙物的識別，要考慮的因素較多，下面以壕溝為例進行分析。本文僅僅從寬度方面對障礙物進行通過性分析，深度和坡度均考慮為理想條件。

庫納（K Kilner）在研究了履帶式車輛的越溝性能后，得出：若車輛重心位于的一半距離，則車輛可越過的壕溝寬度為[2]：

（1）

式中，為履帶車前后輪中心的距離，、分別為前后輪的半徑。實際測量得到相關參數：，，。代入經驗公式（1），得到，即武裝機器人在理想情況下可順利通過壕溝的寬度為0.5831m。

2.2 利用雙超聲傳感器進行交叉探測

利用單個超聲波傳感器測量出壕溝的寬度是十分困難的。本文設計了一種基于雙超聲波傳感器交叉探測的辦法來進行測量，具體測量方法如圖1所示。

在機器人車體的前側兩個不同探測角度分別安裝兩個超聲傳感器，形成兩條探測線：探測線1和探測線2。根據實際應用測得，為固定值。當和確定時，，，均可通過三角函數求得。定義為機器人的反應距離。當前方出現壕溝時，的測量值會首先發生躍變，探測線2由延長至。當探測線1出現大的躍變，由變為時，開始計算前方凹形障礙物的寬度值。探測線1進入溝內時，需要分情況進行討論。

（1）探測線2已到溝外。這種情況下壕溝寬度肯定小于，又，所以存在

（2）

為了增加安全性，可將測量的寬度值考慮得大一點，因此可認為。若，可順利通過；若，則無法通過壕溝。

（2）探測線2仍在溝內。這種情況下壕溝的寬度至少為，可認為，通過比較和就可初步判斷能否通過壕溝。下面計算的值。

（3）

而

（4）

因為，所以

（5）

當時，機器人可繼續前進，將代入，得

（6）

同理，當時，機器人需采取相應的避障措施，此時

（7）

本文中取傳感器的安裝角度為例進行分析，代入式（7），得。即當探測線1進入溝內時，若探測線2的測量值大于0.94m，則判定機器人無法通過前面的凹形障礙物，必須采取避障措施。

2.3 算法流程

該方法簡單實用，為機器人檢測和規避凹形障礙物提供了新的思路。具體的算法流程可描述為：

Step1：機器人實時采集探測線1和探測線2的測距值；

Step2：若探測線2的測距值大于安全設定值，則機器人減速前進；

Step3：判斷探測線1的測距值是否大于安全設定值，若No，返回Step2，若Yes，則利用交叉探測法計算凹形障礙物的寬度值w；

Step4：若w大于機器人的最大可通過寬度，則停止前進避開障礙物；反之，繼續前進，越障通過。

3 結語

針對戰場環境下的未知性，本文創造性地對凹形障礙物進行了深入的分析研究，提出基于雙超聲傳感器的交叉探測方法。該識別方法在野外戰場環境下是行之有效的，機器人對于前進方向上的凹形障礙物能夠正確識別，并能自動執行相應的動作進行跨越或避開，為機器人避障研究提供了新思路。

參考文獻：

[1]倪磊，曾慶化，莊瞳，劉建業.依靠自身傳感器的室內無人機自主導航引導技術綜述[J].計算機應用與軟件，2012，29（8）：160-163.

[2]張克健.車輛地面力學[M].北京：國防工業出版社，2002.

【摘 要】 針對武裝機器人在未知環境下的避障規劃問題，利用雙超聲波傳感器對凹形障礙物進行探測識別和分析研究，并提出交叉探測的識別方法。該方法簡單有效，能較快對機器人面臨的凹形障礙物進行檢測并執行相應的規避動作，能夠實現實時、穩定地避障。

【關鍵詞】 機器人 避障規劃 交叉探測

1 引言

在復雜的戰場環境下，武裝機器人不僅面臨著凸形障礙物的威脅，還時常會遇到壕溝、深坑等凹形障礙物。當前對凸形障礙物和運動障礙物的研究較多，但對于凹形障礙物的研究比較少。本文重點利用超聲探測技術[1]對履帶式機器人識別和規避凹形障礙物進行探討和研究。

2 基于交叉探測的凹形障礙物識別

2.1 對障礙物的通過性分析

對于凹形靜態障礙物的識別，要考慮的因素較多，下面以壕溝為例進行分析。本文僅僅從寬度方面對障礙物進行通過性分析，深度和坡度均考慮為理想條件。

庫納（K Kilner）在研究了履帶式車輛的越溝性能后，得出：若車輛重心位于的一半距離，則車輛可越過的壕溝寬度為[2]：

（1）

式中，為履帶車前后輪中心的距離，、分別為前后輪的半徑。實際測量得到相關參數：，，。代入經驗公式（1），得到，即武裝機器人在理想情況下可順利通過壕溝的寬度為0.5831m。

2.2 利用雙超聲傳感器進行交叉探測

利用單個超聲波傳感器測量出壕溝的寬度是十分困難的。本文設計了一種基于雙超聲波傳感器交叉探測的辦法來進行測量，具體測量方法如圖1所示。

在機器人車體的前側兩個不同探測角度分別安裝兩個超聲傳感器，形成兩條探測線：探測線1和探測線2。根據實際應用測得，為固定值。當和確定時，，，均可通過三角函數求得。定義為機器人的反應距離。當前方出現壕溝時，的測量值會首先發生躍變，探測線2由延長至。當探測線1出現大的躍變，由變為時，開始計算前方凹形障礙物的寬度值。探測線1進入溝內時，需要分情況進行討論。

（1）探測線2已到溝外。這種情況下壕溝寬度肯定小于，又，所以存在

（2）

為了增加安全性，可將測量的寬度值考慮得大一點，因此可認為。若，可順利通過；若，則無法通過壕溝。

（2）探測線2仍在溝內。這種情況下壕溝的寬度至少為，可認為，通過比較和就可初步判斷能否通過壕溝。下面計算的值。

（3）

而

（4）

因為，所以

（5）

當時，機器人可繼續前進，將代入，得

（6）

同理，當時，機器人需采取相應的避障措施，此時

（7）

本文中取傳感器的安裝角度為例進行分析，代入式（7），得。即當探測線1進入溝內時，若探測線2的測量值大于0.94m，則判定機器人無法通過前面的凹形障礙物，必須采取避障措施。

2.3 算法流程

該方法簡單實用，為機器人檢測和規避凹形障礙物提供了新的思路。具體的算法流程可描述為：

Step1：機器人實時采集探測線1和探測線2的測距值；

Step2：若探測線2的測距值大于安全設定值，則機器人減速前進；

Step3：判斷探測線1的測距值是否大于安全設定值，若No，返回Step2，若Yes，則利用交叉探測法計算凹形障礙物的寬度值w；

Step4：若w大于機器人的最大可通過寬度，則停止前進避開障礙物；反之，繼續前進，越障通過。

3 結語

針對戰場環境下的未知性，本文創造性地對凹形障礙物進行了深入的分析研究，提出基于雙超聲傳感器的交叉探測方法。該識別方法在野外戰場環境下是行之有效的，機器人對于前進方向上的凹形障礙物能夠正確識別，并能自動執行相應的動作進行跨越或避開，為機器人避障研究提供了新思路。

參考文獻：

[1]倪磊，曾慶化，莊瞳，劉建業.依靠自身傳感器的室內無人機自主導航引導技術綜述[J].計算機應用與軟件，2012，29（8）：160-163.

[2]張克健.車輛地面力學[M].北京：國防工業出版社，2002.

【摘 要】 針對武裝機器人在未知環境下的避障規劃問題，利用雙超聲波傳感器對凹形障礙物進行探測識別和分析研究，并提出交叉探測的識別方法。該方法簡單有效，能較快對機器人面臨的凹形障礙物進行檢測并執行相應的規避動作，能夠實現實時、穩定地避障。

【關鍵詞】 機器人 避障規劃 交叉探測

1 引言

在復雜的戰場環境下，武裝機器人不僅面臨著凸形障礙物的威脅，還時常會遇到壕溝、深坑等凹形障礙物。當前對凸形障礙物和運動障礙物的研究較多，但對于凹形障礙物的研究比較少。本文重點利用超聲探測技術[1]對履帶式機器人識別和規避凹形障礙物進行探討和研究。

2 基于交叉探測的凹形障礙物識別

2.1 對障礙物的通過性分析

對于凹形靜態障礙物的識別，要考慮的因素較多，下面以壕溝為例進行分析。本文僅僅從寬度方面對障礙物進行通過性分析，深度和坡度均考慮為理想條件。

庫納（K Kilner）在研究了履帶式車輛的越溝性能后，得出：若車輛重心位于的一半距離，則車輛可越過的壕溝寬度為[2]：

（1）

式中，為履帶車前后輪中心的距離，、分別為前后輪的半徑。實際測量得到相關參數：，，。代入經驗公式（1），得到，即武裝機器人在理想情況下可順利通過壕溝的寬度為0.5831m。

2.2 利用雙超聲傳感器進行交叉探測

利用單個超聲波傳感器測量出壕溝的寬度是十分困難的。本文設計了一種基于雙超聲波傳感器交叉探測的辦法來進行測量，具體測量方法如圖1所示。

在機器人車體的前側兩個不同探測角度分別安裝兩個超聲傳感器，形成兩條探測線：探測線1和探測線2。根據實際應用測得，為固定值。當和確定時，，，均可通過三角函數求得。定義為機器人的反應距離。當前方出現壕溝時，的測量值會首先發生躍變，探測線2由延長至。當探測線1出現大的躍變，由變為時，開始計算前方凹形障礙物的寬度值。探測線1進入溝內時，需要分情況進行討論。

（1）探測線2已到溝外。這種情況下壕溝寬度肯定小于，又，所以存在

（2）

為了增加安全性，可將測量的寬度值考慮得大一點，因此可認為。若，可順利通過；若，則無法通過壕溝。

（2）探測線2仍在溝內。這種情況下壕溝的寬度至少為，可認為，通過比較和就可初步判斷能否通過壕溝。下面計算的值。

（3）

而

（4）

因為，所以

（5）

當時，機器人可繼續前進，將代入，得

（6）

同理，當時，機器人需采取相應的避障措施，此時

（7）

本文中取傳感器的安裝角度為例進行分析，代入式（7），得。即當探測線1進入溝內時，若探測線2的測量值大于0.94m，則判定機器人無法通過前面的凹形障礙物，必須采取避障措施。

2.3 算法流程

該方法簡單實用，為機器人檢測和規避凹形障礙物提供了新的思路。具體的算法流程可描述為：

Step1：機器人實時采集探測線1和探測線2的測距值；

Step2：若探測線2的測距值大于安全設定值，則機器人減速前進；

Step3：判斷探測線1的測距值是否大于安全設定值，若No，返回Step2，若Yes，則利用交叉探測法計算凹形障礙物的寬度值w；

Step4：若w大于機器人的最大可通過寬度，則停止前進避開障礙物；反之，繼續前進，越障通過。

3 結語

針對戰場環境下的未知性，本文創造性地對凹形障礙物進行了深入的分析研究，提出基于雙超聲傳感器的交叉探測方法。該識別方法在野外戰場環境下是行之有效的，機器人對于前進方向上的凹形障礙物能夠正確識別，并能自動執行相應的動作進行跨越或避開，為機器人避障研究提供了新思路。

參考文獻：

[1]倪磊，曾慶化，莊瞳，劉建業.依靠自身傳感器的室內無人機自主導航引導技術綜述[J].計算機應用與軟件，2012，29（8）：160-163.

[2]張克健.車輛地面力學[M].北京：國防工業出版社，2002.