基于激光傳感器的機(jī)器人避障方法研究

蘇華 徐善針 王金祥

摘 要：本文提出一種基于激光傳感器的機(jī)器人避障方法，該方法通過激光傳感器獲取障礙物的信息，進(jìn)而計(jì)算出障礙物與機(jī)器人的距離與方位信息，根據(jù)三態(tài)避障法將機(jī)器人分為初級(jí)避障態(tài)、沿墻態(tài)、緊急避障態(tài)。實(shí)驗(yàn)效果表明該方法實(shí)時(shí)性強(qiáng)，魯棒性好。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人避障;初級(jí)避障態(tài);沿墻態(tài);緊急避障

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.118

1 機(jī)器人基本避障方法研究

隨著人類對(duì)機(jī)器人避障領(lǐng)域的深入研究，現(xiàn)今已產(chǎn)生了許多成熟的機(jī)器人避障方法。例如經(jīng)典的超聲波避障方法，聲波傳感器定向的發(fā)射和接收超聲波，根據(jù)檢測到的情況實(shí)現(xiàn)避障。此外還有得到廣泛應(yīng)用的視覺圖像避障法，通過搭載攝像頭的方法感知環(huán)境圖像，使用圖像處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析處理，以此提供環(huán)境信息，完成障礙物檢測。本文基于激光傳感器，提出了一種三態(tài)避障法。

2 本文避障方法

三態(tài)避障方法將避障系統(tǒng)分為三種狀態(tài)，初級(jí)避障態(tài)、沿墻態(tài)、緊急避障態(tài)。針對(duì)圓形輪式機(jī)器人，機(jī)器人前方搭載激光測距儀，通過激光傳感器獲得機(jī)身與障礙物的距離和角度信息，判斷當(dāng)前機(jī)器人所處的狀態(tài)。然后根據(jù)所處的狀態(tài)，機(jī)器人按照一定的算法進(jìn)行避障行走。

2.1 初級(jí)避障態(tài)

初級(jí)避障態(tài)是為了提高避障的流暢度并且能夠與沿墻態(tài)銜接的一個(gè)狀態(tài)。如果障礙物進(jìn)入了初級(jí)避障范圍，那么機(jī)器人會(huì)以圓弧運(yùn)動(dòng)的形式接近抽象于障礙物方位的假想墻，若該障礙物是墻壁，則與假想墻吻合，后期運(yùn)動(dòng)交給沿墻算法處理。若該障礙物不是墻壁，則后期會(huì)根據(jù)檢測出的數(shù)據(jù)改變運(yùn)動(dòng)軌跡或者切換系統(tǒng)狀態(tài)。

設(shè)初級(jí)避障態(tài)中機(jī)身與障礙物的最短距離為，初級(jí)避障態(tài)讓機(jī)器人走一個(gè)半徑為的圓弧路徑。如果假想墻存在，那么之后傳感器每次檢測出的距離和角度都可以計(jì)算出相同的值，機(jī)器人就會(huì)走一個(gè)圓弧路徑直到進(jìn)入沿墻態(tài)。若不存在，則傳感器每次掃描后都會(huì)計(jì)算出一個(gè)新的值，這也就意味著機(jī)器人會(huì)走一個(gè)類拋物線的路徑。

2.2 緊急避障態(tài)

在緊急避障態(tài)中，機(jī)器人和障礙物距離已經(jīng)非常接近，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)下去可能會(huì)發(fā)生碰撞。因此機(jī)器人在進(jìn)入該狀態(tài)后，應(yīng)該立刻停止運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向，直到進(jìn)入其它狀態(tài)。

因?yàn)榧す鈧鞲衅魇谴嬖诿^(qū)的，所以機(jī)器人在原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，障礙物可能會(huì)進(jìn)入傳感器的盲區(qū)。為了保證障礙物不會(huì)與機(jī)器人發(fā)生碰撞，障礙物在盲區(qū)時(shí)與機(jī)身最近的距離要大于零。設(shè)緊急避障態(tài)的閾值為，此閾值要保證障礙物離機(jī)器人的距離大于零的同時(shí)還應(yīng)保證機(jī)身前的傳感器不會(huì)與障礙物發(fā)生碰撞。另外機(jī)器人在運(yùn)行中，采集和處理數(shù)據(jù)以及控制電機(jī)都需要時(shí)間而且機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)還有一定的慣性，所以應(yīng)當(dāng)將閾值設(shè)大一些，留有一定的緩沖距離。

2.3 沿墻態(tài)

沿墻態(tài)的設(shè)置是為了提高機(jī)器人避障的穩(wěn)定性，防止機(jī)器人亂走。在該狀態(tài)下，機(jī)器人始終沿著墻壁走，墻起到了一個(gè)引導(dǎo)的作用，通過這種方法可以解決避障死鎖的問題。

沿墻態(tài)中，機(jī)器人始終與墻平行并保持一定距離，但是要讓機(jī)器人完全走出直線是不太可能的，所以需要在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)地調(diào)整姿態(tài)。

在沿墻壁前進(jìn)的過程中，激光傳感器需要不斷采集30度和150度角方向機(jī)身與墻的距離，然后與剛進(jìn)入沿墻態(tài)時(shí)30度和150度方向的初始距離進(jìn)行對(duì)比，如果比初始距離小，說明機(jī)器人正在靠近墻，需要向遠(yuǎn)離墻一側(cè)調(diào)整。反之，向接近墻的一側(cè)調(diào)整。

2.4 各種狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略

首先傳感器不斷采集障礙物與機(jī)器人的距離，并計(jì)算出機(jī)身與障礙物距離。當(dāng)<=時(shí)，達(dá)到初級(jí)避障態(tài)的閾值，機(jī)器人進(jìn)入避障狀態(tài)。之后根據(jù)距離和角度來判斷具體進(jìn)入了哪種避障狀態(tài)。

若<=，說明機(jī)器人已經(jīng)到達(dá)了緊急避障態(tài)的閾值。機(jī)器人會(huì)進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)，直到>脫離緊急避障態(tài)。

若<<=，機(jī)器人則可能處于初級(jí)避障態(tài)或者沿墻態(tài)。如果<<=，這時(shí)并沒有達(dá)到沿墻態(tài)的閾值，機(jī)器人處于初級(jí)避障態(tài)。當(dāng)<且在0度<<5度或170度<<180度時(shí)，探測到的障礙物與機(jī)身距離和不滿足三角關(guān)系，說明機(jī)器人沒有和墻保持平行，所以依然處于初級(jí)避障態(tài)。

只有當(dāng)<且0度<<5度或170度<<180度滿足三角關(guān)系時(shí)，才進(jìn)入沿墻態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)機(jī)器人左右輪距為34cm，后方一個(gè)萬向從動(dòng)輪。緊急避障態(tài)的閾值必須保證側(cè)面無碰撞，必須使必須大于0，帶入數(shù)據(jù)后可得閾值。機(jī)身前方的激光傳感器長度為145mm，所以也能保證傳感器不會(huì)受到碰撞。但是機(jī)器人在獲取距離數(shù)據(jù)與控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)有一個(gè)延遲，所以要適當(dāng)提高閾值，通過實(shí)驗(yàn)我們選取較為合適。

初級(jí)避障態(tài)的閾值涉及到機(jī)器人是否會(huì)進(jìn)入避障狀態(tài)，所以這個(gè)閾值不能能夠太大，閾值太大則會(huì)讓機(jī)器人太過于敏感，同時(shí)也要考慮到會(huì)影響到，如果閾值太小會(huì)讓圓弧軌跡半徑變小，進(jìn)而導(dǎo)致拐彎速度上升影響精度。所以這里取一個(gè)中間值，初級(jí)避障距離閾值。

沿墻態(tài)需要與初級(jí)避障態(tài)進(jìn)行對(duì)接，還需要考慮機(jī)身會(huì)在沒有完全平行（偏向墻壁一側(cè)）但接近平行于墻壁的狀態(tài)下進(jìn)入沿墻態(tài)，所以要略大于，假設(shè)這個(gè)值為310mm，另外要考慮機(jī)器人的半徑，最終經(jīng)過實(shí)驗(yàn)我們找到了一個(gè)效果較好得閾值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人能夠平滑的地避開非墻面的障礙物，機(jī)器人可以平緩地貼近墻面行走，在機(jī)器人進(jìn)入緊急避障態(tài)時(shí)可以緊急避障，在不同狀態(tài)間可以自主轉(zhuǎn)換?？傮w來看，基于激光傳感器的三態(tài)避障法實(shí)用可行，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，魯棒性好的特點(diǎn)。