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(huán)境下的避障規(guī)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(zhí)行相應(yīng)的規(guī)避動作，能夠?qū)崿F(xiàn)實時、穩(wěn)定地避障。

【關(guān)鍵詞】 機器人 避障規(guī)劃 交叉探測

1 引言

在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)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(dāng)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(shù)[1]對履帶式機器人識別和規(guī)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(tài)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(guān)參數(shù)：，，。代入經(jīng)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(shè)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(cè)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(jù)實際應(yīng)用測得，為固定值。當(dāng)和確定時，，，均可通過三角函數(shù)求得。定義為機器人的反應(yīng)距離。當(dāng)前方出現(xiàn)壕溝時，的測量值會首先發(fā)生躍變，探測線2由延長至。當(dāng)探測線1出現(xiàn)大的躍變，由變?yōu)闀r，開始計算前方凹形障礙物的寬度值。探測線1進入溝內(nèi)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(rèn)為。若，可順利通過；若，則無法通過壕溝。

（2）探測線2仍在溝內(nèi)。這種情況下壕溝的寬度至少為，可認(rèn)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(dāng)時，機器人可繼續(xù)前進，將代入，得

（6）

同理，當(dāng)時，機器人需采取相應(yīng)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(dāng)探測線1進入溝內(nèi)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(guī)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(shè)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(shè)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(xù)前進，越障通過。

3 結(jié)語

針對戰(zhàn)場環(huán)境下的未知性，本文創(chuàng)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(zhàn)場環(huán)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(zhí)行相應(yīng)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(yè).依靠自身傳感器的室內(nèi)無人機自主導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)綜述[J].計算機應(yīng)用與軟件，2012，29（8）：160-163.

[2]張克健.車輛地面力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

【摘 要】 針對武裝機器人在未知環(huán)境下的避障規(guī)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(zhí)行相應(yīng)的規(guī)避動作，能夠?qū)崿F(xiàn)實時、穩(wěn)定地避障。

【關(guān)鍵詞】 機器人 避障規(guī)劃 交叉探測

1 引言

在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)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(dāng)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(shù)[1]對履帶式機器人識別和規(guī)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(tài)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(guān)參數(shù)：，，。代入經(jīng)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(shè)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(cè)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(jù)實際應(yīng)用測得，為固定值。當(dāng)和確定時，，，均可通過三角函數(shù)求得。定義為機器人的反應(yīng)距離。當(dāng)前方出現(xiàn)壕溝時，的測量值會首先發(fā)生躍變，探測線2由延長至。當(dāng)探測線1出現(xiàn)大的躍變，由變?yōu)闀r，開始計算前方凹形障礙物的寬度值。探測線1進入溝內(nèi)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(rèn)為。若，可順利通過；若，則無法通過壕溝。

（2）探測線2仍在溝內(nèi)。這種情況下壕溝的寬度至少為，可認(rèn)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(dāng)時，機器人可繼續(xù)前進，將代入，得

（6）

同理，當(dāng)時，機器人需采取相應(yīng)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(dāng)探測線1進入溝內(nèi)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(guī)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(shè)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(shè)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(xù)前進，越障通過。

3 結(jié)語

針對戰(zhàn)場環(huán)境下的未知性，本文創(chuàng)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(zhàn)場環(huán)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(zhí)行相應(yīng)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(yè).依靠自身傳感器的室內(nèi)無人機自主導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)綜述[J].計算機應(yīng)用與軟件，2012，29（8）：160-163.

[2]張克健.車輛地面力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

【摘 要】 針對武裝機器人在未知環(huán)境下的避障規(guī)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(zhí)行相應(yīng)的規(guī)避動作，能夠?qū)崿F(xiàn)實時、穩(wěn)定地避障。

【關(guān)鍵詞】 機器人 避障規(guī)劃 交叉探測

1 引言

在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)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(dāng)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(shù)[1]對履帶式機器人識別和規(guī)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(tài)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(guān)參數(shù)：，，。代入經(jīng)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(shè)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(cè)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(jù)實際應(yīng)用測得，為固定值。當(dāng)和確定時，，，均可通過三角函數(shù)求得。定義為機器人的反應(yīng)距離。當(dāng)前方出現(xiàn)壕溝時，的測量值會首先發(fā)生躍變，探測線2由延長至。當(dāng)探測線1出現(xiàn)大的躍變，由變?yōu)闀r，開始計算前方凹形障礙物的寬度值。探測線1進入溝內(nèi)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(rèn)為。若，可順利通過；若，則無法通過壕溝。

（2）探測線2仍在溝內(nèi)。這種情況下壕溝的寬度至少為，可認(rèn)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(dāng)時，機器人可繼續(xù)前進，將代入，得

（6）

同理，當(dāng)時，機器人需采取相應(yīng)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(dāng)探測線1進入溝內(nèi)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(guī)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(shè)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(shè)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(xù)前進，越障通過。

3 結(jié)語

針對戰(zhàn)場環(huán)境下的未知性，本文創(chuàng)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(zhàn)場環(huán)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(zhí)行相應(yīng)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(yè).依靠自身傳感器的室內(nèi)無人機自主導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)綜述[J].計算機應(yīng)用與軟件，2012，29（8）：160-163.

[2]張克健.車輛地面力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.