基于激光與聲納傳感器的機器人避障方法研究

胡玉龍+王金祥

摘 要：基于激光與聲納傳感器的機器人避障方法首先通過對聲納傳感器和激光傳感器獲取的信息融合檢測出工作環(huán)境中的障礙物信息，然后使用回溯算法，排除干擾項并路徑規(guī)劃找到最為合適的行進路線，避開障礙物，使移動機器人可以繼續(xù)行進。實驗結(jié)果表明，本避障方法能實時、準確地檢測并規(guī)避障礙物，避障效果較好。

關(guān)鍵詞：信息融合；移動機器人；路徑規(guī)劃；規(guī)避障礙物

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.137

1 研究的現(xiàn)狀及意義

移動機器人的研究問題是新世紀以來科學研究領(lǐng)域的熱門話題。機器人的研究和發(fā)展已經(jīng)成為了衡量高新科技發(fā)展水平的重要標志。不論是抗震救災(zāi)中對受難人群的搜尋，還是對復雜未知特殊環(huán)境的探索，機器人技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)與之密不可分。尤其是機器人避障技術(shù)的研究已經(jīng)成為當今科技發(fā)展的重中之重。

基于激光與聲納傳感器的機器人避障方法，通過聲納傳感器短距離對所屬環(huán)境進行檢測，可以檢測出體積較大的障礙物，通過激光傳感器可以非常精確、快速地獲取長距離環(huán)境內(nèi)的障礙物的距離信息。但是，聲納傳感器發(fā)射的超聲波在長距離檢測中常出現(xiàn)能量衰減問題和易受到鏡面漫反射的影響，激光傳感器發(fā)射的激光在遇到不同的障礙物時反射效果不同，從而影響測量的準確性。兩者結(jié)合使用，顯著提高了機器人對障礙物的檢測能力和判斷能力，從而保障了機器人對路徑的規(guī)劃及選擇的精確度，有效的提高了機器人的復雜環(huán)境的自適應(yīng)能力和自調(diào)節(jié)能力。

2 障礙物檢測

2.1 聲納定位障礙物

在空氣中傳播時，超聲波具有很強方向性，能量也易于集中。聲納定位障礙物一般都是通過聲波測距實現(xiàn)的。聲納傳感器發(fā)出聲波信號，當聲波信號遇到障礙物時會反射回來，通過采集反射時間可以計算出障礙物的位置。

假設(shè)聲納傳感器在第一時刻發(fā)出聲波信號，其在空氣中以每秒340米的速度傳播，在第二時刻接收到反射波，這兩個時刻的時間差與速度的積的一半就可以確定出機器人與障礙物的距離。

2.2 激光定位障礙物

本實驗采用的是三維激光傳感器，可以實現(xiàn)正向180度范圍內(nèi)激光測距。其檢測原理與上述聲納傳感器相同。

假設(shè)激光傳感器可以檢測的半徑為r，在時刻發(fā)出一束激光。激光的傳播速度為，則等待接收反射激光的時間為：=2r/c。此等待時間為理想狀態(tài)下的接收時間。當實際接收時間大于+k時（k為允許內(nèi)的誤差閾值），則視為超過了檢測范圍；若實際接收時間小于-k時，則視為檢測到障礙物，并計算出與障礙物距離為（。

由機器人與障礙物的距離S已經(jīng)激光掃描角度w可以計算出障礙物所處的方位，通過X = S * ，由此可推斷出障礙物位于機器人正前方X米偏左w度（偏右，具體角度取決于w的大小）。

3 自主避障算法

移動機器人的避障問題是新世紀以來科學研究領(lǐng)域的熱門話題。本實驗根據(jù)實際情況將機器人的自主避障劃分為實時地圖繪制和路徑規(guī)劃。

3.1 障礙物的檢測

當機器人向前行駛時，聲吶傳感器和激光傳感器同時工作。當聲納傳感器檢測出前方、左前方或右前方任何一個方向有障礙物時，此時應(yīng)該結(jié)合激光傳感器的檢測結(jié)果；若二者檢測的結(jié)果都符合障礙物的特征，則在機器人視野中標記出障礙物的坐標。若二者檢測的結(jié)果不相符時則暫時放棄此次檢測信息，多次檢測到信息一致時確定并記錄障礙物的距離與方位信息，然后機器人根據(jù)路徑選擇策略，選擇正確的路徑繼續(xù)行進。

3.2 路徑規(guī)劃算法

機器人的路徑規(guī)劃問題是當今社會科研的熱門話題。隨著科技發(fā)展的日漸迥異，路徑規(guī)劃算法不斷更新改進。以往的路徑規(guī)劃問題就是在有障礙物干擾的工作環(huán)境中，按照相應(yīng)的衡量標準（最短響應(yīng)時間，最短距離等）找到一條從當前位置到達目的終點的運動路線。

本實驗采用回溯算法作為機器人選擇路徑的依據(jù)。具體流程如下：

①判斷前方坐標是否為-1（表示沒有通路的點），是，則執(zhí)行⑥，否則，執(zhí)行②；

②判斷是否出現(xiàn)障礙物，若出現(xiàn)，則執(zhí)行③，否則，執(zhí)行⑦；

③判斷正前方是否有障礙物出現(xiàn)，是，則執(zhí)行④，否則，調(diào)整機器人的方向，執(zhí)行⑥；

④判斷左前方是否有障礙物出現(xiàn)，是，則執(zhí)行⑤，否則，調(diào)整機器人的方向，執(zhí)行⑥；

⑤判斷右前方是否有障礙物出現(xiàn)，是，則執(zhí)行⑥，否則，調(diào)整機器人的方向，執(zhí)行⑦；

⑥記錄該位置的坐標，并將標記設(shè)置為-1，后退一步，執(zhí)行①；

⑦將該坐標點設(shè)置為1，繼續(xù)前進。

該算法具有簡單明確的算法結(jié)構(gòu)，可以準確快速地找到合適的路線，所需等待的響應(yīng)時間短，大大提高了機器人的運行效率。在實際運行中，可以快速準確地找到合適的避障方案，有效的提高了機器人的復雜環(huán)境的自適應(yīng)能力和自調(diào)節(jié)能力。

4 實驗總結(jié)及分析

實驗情況下，除了在傳感器正好卡在兩個等距障礙物且兩個障礙物與傳感器的距離都在需要緊急避障范圍內(nèi)這種特殊情況下機器人會原地搖擺無作為，時間稍長便會適當退后，其他情況下均能實現(xiàn)預期效果，不是墻面的障礙物能平滑躲過，墻面基本能平緩貼近沿著走，若突然一個活動障礙物出現(xiàn)在機器人的緊急避障范圍內(nèi)，機器人會急停并原地轉(zhuǎn)向，若周圍沒有活動障礙物，機器人基本不會進入緊急避障，總體來看，依據(jù)此避障算法可以實現(xiàn)機器人的實時避障，效果較好。實驗結(jié)果表明，基于激光與聲納傳感器的機器人避障方法具有很強的魯棒性和實用性，該算法可以很好的檢測出障礙物，并且在很短的響應(yīng)時間內(nèi)找到最為合適的路徑，機器人可以避開障礙物行進。

作者簡介：胡玉龍（1996-），男，湖北襄陽人，本科。endprint