基于激光傳感器的機器人目標(biāo)跟蹤方法研究

徐博文　王金祥

摘 要： 本文使用“基速度+速度差”的方法控制機器人跟蹤目標(biāo)，通過激光傳感器獲取運動目標(biāo)相對于機器人的位置信息，根據(jù)目標(biāo)位置的不同給出控制策略，實時控制機器人運動的線速度和角速度，進而控制機器人的運動軌跡。實驗結(jié)果表明，該方法能使機器人實現(xiàn)對運動目標(biāo)的平滑跟蹤，算法實時性高，魯棒性好。

關(guān)鍵詞： 機器人；激光傳感器；目標(biāo)跟蹤

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.124

1 研究的現(xiàn)狀及意義

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，機器人在人們的日常生活中的角色越來越重要。移動機器人的研究領(lǐng)域涉眾多，如人工智能、電氣自動化、電子信息與工程等等。移動機器人是運動控制、路徑規(guī)劃、環(huán)境感知的多功能綜合實驗平臺，是目前科學(xué)研究中的熱門領(lǐng)域之一。機器人的運動控制是移動機器人最基本的功能，也是移動機器人的靈魂，如何合理、有效地解決運動控制問題至關(guān)重要。

2 激光傳感器目標(biāo)定位方法

激光傳感器的工作原理是用一個完整的高速旋轉(zhuǎn)的反光鏡將原本向前直線射出的激光反射到前方不同的角度，掃描獲得前方的一片輻射狀二維平面信息。激光發(fā)射出去，照射到物體表面反射回來被激光傳感器接收。根據(jù)接收到反射光的時間長短測算出物體距離機器人的距離信息，根據(jù)收到反射光的角度獲取物體距離機器人的方位信息。由于本文主要研究跟蹤方法、速度與軌跡控制，所以實驗中以距離機器人最近的目標(biāo)為機器人要跟蹤的目標(biāo)，這樣機器人視野中即使目標(biāo)移動，機器人仍會捕獲到目標(biāo)信息，從而為跟蹤算法的應(yīng)用打下良好的實驗條件。

3 運動目標(biāo)跟蹤方法

機器人的直線跟蹤策略。采用先加速行駛到理想跟蹤速度，然后以此速度勻速行駛一段距離，最后減速行駛到達目的地。這樣做的主要目的是為了避免速度的突變量太大對電機和齒輪造成傷害和造成跟蹤軌跡搖擺。這樣設(shè)計能使機器人速度變化時有一定的緩沖，可以較好地實現(xiàn)平滑跟蹤。

機器人的旋轉(zhuǎn)跟蹤策略。因為機器人左右兩個驅(qū)動輪分別由一個電機單獨進行控制，所以可以分別設(shè)置左輪和右輪的速度，當(dāng)左輪和右輪的速度不一致時，機器人前進的方向就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。若左輪的速度大于右輪時，且都為正速度時，機器人就會向右偏轉(zhuǎn)，反之亦然。若左輪的速度為一個正定值速度，右輪這個速度的負值時，機器人就會順時針快速自轉(zhuǎn)，反之亦然。

基于柵格的目標(biāo)跟蹤策略。當(dāng)目標(biāo)在機器人前方不是直線運動，而是朝任意方向運動的時候，此時機器人再走固定的圓形軌跡便不能跟蹤目標(biāo)了，機器人得根據(jù)目標(biāo)與自身之間的距離信息和目標(biāo)的方位角信息進行相應(yīng)的曲線運動。此時，采用柵格法跟進的方式便可以解決這一問題，激光掃描會獲得機器人前方的一片輻射狀二維平面信息，將這塊二維平面劃分成若干個不同的區(qū)域，每一個區(qū)域分別為機器人設(shè)計一套跟蹤方案。這樣，無論目標(biāo)落在哪一個區(qū)域，機器人都能有一套跟蹤方案追蹤目標(biāo)。

具體算法描述如下：

步驟一：通過激光傳感器實時獲取目標(biāo)與傳感器之間的距離和目標(biāo)的方位角信息。

步驟二：根據(jù)距離和角度信息與預(yù)先劃分好的區(qū)域作比較，得到目標(biāo)所在區(qū)域。

步驟三：根據(jù)目標(biāo)所在區(qū)域及預(yù)先設(shè)定的機器人運動方案設(shè)置機器人左右輪速。

步驟四：重復(fù)步驟一，直至跟蹤結(jié)束。

基于“基速度+速度差”跟蹤策略。目標(biāo)從某一塊區(qū)域運動到另一塊區(qū)域時，由于每個區(qū)域的運動方案是預(yù)先設(shè)計好的，每個區(qū)域的左右輪速策略是固定不變，所以機器人在不同的運動方案之間切換時，線速度和角速度沒有平滑的變化，是突變的，這樣的運動方式不僅不是最理想的而且速度的突變也會對內(nèi)部電機造成負擔(dān)。機器人在運動過程中，線速度主要與左右輪的速度之和有關(guān)，角速度主要與左右輪的速度差值有關(guān)。當(dāng)目標(biāo)離機器人越遠的時候，線速度應(yīng)該越大，當(dāng)目標(biāo)與機器人正前方90度方位角的偏差角越大時，機器人的角速度應(yīng)該越大這樣才能快速地調(diào)整姿態(tài)使機器人自身正對著目標(biāo)。采用“基速度+速度差”的控制方法是分別控制左右輪的速度進而控制機器人的線速度和角速度的變化。如當(dāng)機器人向右偏轉(zhuǎn)時，左輪的速度大于右輪的速度，這時以右輪的速度為基速度，左輪的速度 = 右輪的速度 + 速度差，反之亦然。因為輪間距固定可知，所以速度差越大，機器人跟蹤的角速度越大，反之亦然。由于線速度的大小與基速度相近，設(shè)右轉(zhuǎn)時右輪速度或左轉(zhuǎn)時左輪速度為基速度。

具體算法描述如下：

步驟一：通過激光傳感器實時獲取目標(biāo)與傳感器之間的距離和目標(biāo)的方位角，根據(jù)距離信息與控制速度的正比例關(guān)系算出對應(yīng)的基速度，通過方位信息與控制角速度的正比例關(guān)系推算出速度差。

步驟二：如果距離信息小于等于安全距離，機器人減速停止跟蹤。如果大于安全距離小于失去目標(biāo)距離，則執(zhí)行步驟三，如果大于等于失去目標(biāo)距離，機器人減速停止跟蹤。

步驟三：如果方位角小于80度，機器人需要向右偏轉(zhuǎn)，則右輪速度為基速度，左輪速度為基速度+速度差。如果方位角大于100度，機器人需要向左偏轉(zhuǎn)，則左輪速度為基速度，右輪速度為基速度+速度差。如果方位角在80度到100度之間，機器人向前直行，左右輪的速度都為基速度，若偏轉(zhuǎn)角度增大則通過減少基速度的方式控制增大角速度。

步驟四：重復(fù)步驟一，直至停止跟蹤。

4 實驗結(jié)果與分析

本實驗采用的智能輪式機器人前身搭載了一個激光傳感器。該機器人由兩個在同一個軸上對稱分布的驅(qū)動輪和后面一個萬向從動輪組成，通過調(diào)整驅(qū)動輪速度控制機器人的運動。

在本實驗輪式機器人的運動控制測試中，“基速度+速度差”的方法比柵格法更加精確，線速度和角速度的變化也更加地平滑，具體跟蹤效果是在速度測定方面應(yīng)用柵格法跟蹤的速度變化忽高忽低，采用“基速度+速度差”跟蹤方法速度的變化平緩合理；在跟蹤軌跡測定方面，柵格法跟蹤軌跡左右擺動較為明顯，而“基速度+速度差”跟蹤的軌跡平滑。綜上所述，本文提出的跟蹤算法跟蹤效果好，且魯棒性較強。

作者簡介：徐博文（1996-），男，吉林延吉人，本科，通信工程（中外）專業(yè)。

*為通訊作者