基于激光傳感器的機(jī)器人巡弋方法研究

杜俊蓉+王金祥

摘 要： 本實(shí)驗(yàn)結(jié)合激光傳感器與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)本體定位、感知環(huán)境并且結(jié)合地圖做出路徑規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在已知地圖自主巡邏，在機(jī)器人巡邏的過(guò)程中能夠偵測(cè)危險(xiǎn)情況，并反饋已發(fā)現(xiàn)的異常情況，完成機(jī)器人的巡弋功能。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人；巡弋；激光傳感器；異常情況

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.146

智能機(jī)器人融合了傳感器技術(shù)、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等多學(xué)科知識(shí)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、軍事及日常生活領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用，逐漸成了人們生活中不可缺少的一部分。愈加復(fù)雜的環(huán)境與繁多的工種也要求機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更加智能的功能，對(duì)機(jī)器人的自主性及智能性提出了更多的挑戰(zhàn)。

1 研究的現(xiàn)狀及意義

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械電子、信息、自動(dòng)化、以及人工智能的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人進(jìn)入了一個(gè)高速的發(fā)展階段，所以利用機(jī)器人進(jìn)行巡弋以達(dá)到在日常生活、工業(yè)、反恐等領(lǐng)域之中代替人類完成高難度工作成為一個(gè)新的熱點(diǎn)問(wèn)題。

現(xiàn)階段，“人工智能”是最大的熱點(diǎn)之一，智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，通過(guò)它可以探知巡邏人類難以進(jìn)入的未知特定環(huán)境，并進(jìn)行特定操作，不但可以代替人類進(jìn)行高危險(xiǎn)性的工作，還可以節(jié)省人力，提高效率，在實(shí)踐方面具有非常高的應(yīng)用價(jià)值。機(jī)器人巡弋方法的研究是這個(gè)領(lǐng)域中一個(gè)具有理論意義與實(shí)踐意義的研究方向。

2 機(jī)器人巡弋地圖的創(chuàng)建

要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行巡弋方面的研究，首先必須先進(jìn)行機(jī)器人將要巡弋區(qū)域的地圖創(chuàng)建工作。讓機(jī)器人在特定區(qū)域進(jìn)行巡邏，并保存巡邏區(qū)域的地圖信息。

地圖創(chuàng)建有兩種方式，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)件地圖與幾何地圖。這里我們通過(guò)坐標(biāo)方式來(lái)保存地圖信息，對(duì)地圖進(jìn)行合理建立直角坐標(biāo)系，將整個(gè)地圖特殊邊角通過(guò)坐標(biāo)值體現(xiàn)，在編程中采用數(shù)組保存地圖坐標(biāo)。為保證地圖的精確性，所以在地圖創(chuàng)建之前首先要把地圖信息測(cè)量好，需要將誤差消除在0.02m以內(nèi)，用米尺測(cè)量、用機(jī)器人邊走邊使用激光測(cè)量掃過(guò)距離值，最終測(cè)出地圖信息。

3 機(jī)器人巡弋方法

為了能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人行走、接近目標(biāo)完成任務(wù)。機(jī)器人需要一定的算法知道自己在地圖中的位置才能完成命令。所以在開(kāi)始巡弋前，還要對(duì)機(jī)器人本身進(jìn)行自定位，在此采用的是基于軸角編碼器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自身位姿的研究方法，利用機(jī)器人的相對(duì)偏轉(zhuǎn)角度和和相對(duì)位移實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的自定位。

在完成對(duì)機(jī)器人自定位后，采用沿墻走算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡弋功能，本文重點(diǎn)研究的是機(jī)器人結(jié)合激光傳感器實(shí)現(xiàn)的沿墻走算法。在此階段，我們具體把沿墻走算法劃分為兩種狀態(tài)，一種是靠近墻行走狀態(tài)，另一種是沿墻行走狀態(tài)。

激光傳感器測(cè)量的是一個(gè)0°～180°的半圓扇形區(qū)域，我們把激光傳感器分為三個(gè)區(qū)域，180°（已機(jī)器人視角為激光最左側(cè)）、90°（正前方）、0°（右側(cè)）來(lái)檢測(cè)三個(gè)方向距離信息。

首先在靠近墻的狀態(tài)下，我們將其分為三種具體的情況，采用三束激光分別為85°90°95°方向發(fā)出，下面敘述中L85°代表85度角方向測(cè)得的距離信息。當(dāng)L85°*cos5°=L90°=L95°*cos5°時(shí)，說(shuō)明機(jī)器人與前方墻垂直，當(dāng)L85°*cos5°L90°>L95°*cos5°時(shí)，說(shuō)明機(jī)器人應(yīng)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)一定角度才能與墻平行前進(jìn)。機(jī)器人選擇方向后將按照這個(gè)方向前行，在對(duì)靠近墻行走狀態(tài)的機(jī)器人調(diào)整完成后，進(jìn)入沿墻行走狀態(tài)，機(jī)器人靠近墻后與墻保持一個(gè)安全距離開(kāi)始執(zhí)行沿墻走模式，在沿墻走狀態(tài)過(guò)程中要盡量保持機(jī)器人行走路徑與墻平行，此時(shí)機(jī)器人會(huì)有些小抖動(dòng)，進(jìn)入誤差范圍則平穩(wěn)沿墻前行。

4 異常情況檢測(cè)

在本實(shí)驗(yàn)中，巡邏報(bào)警主要針對(duì)在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)地圖異常信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，比如有陌生人出入等現(xiàn)象。在機(jī)器人巡邏的過(guò)程中，如果通過(guò)激光傳感器檢測(cè)到行人，機(jī)器人會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，并且讓機(jī)器人記錄機(jī)器人與被檢測(cè)目標(biāo)。機(jī)器人通過(guò)自身坐標(biāo)、目標(biāo)距離可以計(jì)算出目標(biāo)坐標(biāo)。記錄目標(biāo)人出現(xiàn)的位置坐標(biāo)、時(shí)間段，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常情況的監(jiān)測(cè)分析。所以在地圖創(chuàng)建的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的門是主要需要監(jiān)視的區(qū)域，當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到門開(kāi)時(shí)，能夠讓機(jī)器人記錄巡邏區(qū)域異常信息、位置、時(shí)間。機(jī)器人在巡邏的過(guò)程中，需要檢測(cè)關(guān)鍵位置的門是否開(kāi)關(guān)，識(shí)別非法入侵。對(duì)于門開(kāi)啟狀態(tài)的兩種可能，門向內(nèi)開(kāi)與門向外開(kāi)，我們需要在地圖信息坐標(biāo)標(biāo)注FLAG，當(dāng)機(jī)器人巡邏在關(guān)鍵FLAG的時(shí)候，與地圖匹配優(yōu)先于沿墻走。如果發(fā)現(xiàn)有在激光L180°測(cè)到的數(shù)值異常過(guò)大，說(shuō)明門開(kāi)啟，讓機(jī)器人暫停運(yùn)動(dòng)。根據(jù)坐標(biāo)范圍記錄是哪道門開(kāi)啟。

5 機(jī)器人巡弋結(jié)果分析

機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)區(qū)域巡弋，我們讓其中的幾扇門開(kāi)啟-關(guān)閉，地圖中門默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，讓機(jī)器人保存其信息，巡邏結(jié)束記錄信息。我們以地圖最左下角的墻角設(shè)置為原點(diǎn)（0，0），打開(kāi)其中兩扇門，供機(jī)器人檢測(cè)。機(jī)器人在已知地圖下進(jìn)行巡邏，全程按著沿墻走算法在固定路徑進(jìn)行巡邏，我們通過(guò)在地圖標(biāo)識(shí)特殊信息，使機(jī)器人在巡邏的過(guò)程中反饋異常信息：是陌生人還是特定的教室門異常開(kāi)啟狀態(tài)。機(jī)器人將異常信息通過(guò)坐標(biāo)值反饋告警信息。

機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的坐標(biāo)變化，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自定位。巡邏主體算法是沿墻走，使機(jī)器人在已知地圖的情況下沿墻巡邏。我們?cè)谟涗浀貓D信息的過(guò)程中保存了特殊的地圖信息，比如重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域：門的開(kāi)啟與否。機(jī)器人在巡邏的過(guò)程中將檢測(cè)到的信息與地圖匹配。完成了整個(gè)機(jī)器人巡弋過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)效果直觀的反映出該方法的有效性，本文首先對(duì)機(jī)器人巡弋區(qū)域進(jìn)行地圖生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)機(jī)器人自定位綜合分析與處理，再利用沿墻走算法實(shí)現(xiàn)巡邏，最后將檢測(cè)到的異常情況進(jìn)行反饋，較好的實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人巡弋工作，算法的實(shí)時(shí)性和魯棒性也較好。

作者簡(jiǎn)介：杜俊蓉（1996-），女，吉林四平人，本科。