基于籃球運(yùn)動的避障系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

蔡 偉

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，鄭州 451100)

0 引言

現(xiàn)代研究者們對機(jī)器人的研究已經(jīng)開始逐步深化，研究的機(jī)器人從人工遙控控制避障深化到機(jī)器人可以自主避障，即通過讓機(jī)器人具有一定的自主意識來躲避障礙。在籃球運(yùn)動比賽中，個人的進(jìn)攻防守意識是隊伍戰(zhàn)術(shù)的重要部分，是在自身防守戰(zhàn)術(shù)的基礎(chǔ)上有預(yù)見地通過手臂動作和腳步移動，躲避對方隊員的進(jìn)攻，并搶占有利位置；個人防守意識經(jīng)過訓(xùn)練不必教練指揮，可根據(jù)自身的條件采取有效的防守進(jìn)攻，并在對方隊員進(jìn)攻時可自主分析其進(jìn)攻動作，根據(jù)其動作自主避開?；@球運(yùn)動中的個人防守意識是指運(yùn)動員在復(fù)雜且不斷變化的環(huán)境中主動地應(yīng)變，以求爭取到進(jìn)攻的有利位置，同時還能實(shí)施自己的防守和進(jìn)攻行為的一種主動意識?；@球運(yùn)動的個人防守意識很突出地體現(xiàn)了運(yùn)動員對球場上具體情況的實(shí)時把握，通過運(yùn)動員自己的感覺、觀察和判斷，采取相應(yīng)的動作[1-5]。以籃球運(yùn)動中運(yùn)動員進(jìn)攻時碰到對方球員采取的主動防守避開以達(dá)到進(jìn)球目的的措施為思考方向，設(shè)計機(jī)器人的避障系統(tǒng)為：識別判斷移動障礙物，分析障礙物的運(yùn)動軌跡，避開障礙物到達(dá)目的地。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的自主避障系統(tǒng)的的工作內(nèi)容：設(shè)定了起點(diǎn)和終點(diǎn)后，通過避障系統(tǒng)的識別功能識別工作環(huán)境的信息，并根據(jù)安裝的視覺傳感器采集實(shí)時地圖；在最初根據(jù)起點(diǎn)終點(diǎn)規(guī)劃出來的路徑的基礎(chǔ)上，避障系統(tǒng)根據(jù)避障算法模塊來避開環(huán)境中的移動障礙物或先行識別到的障礙物，到達(dá)設(shè)定的終點(diǎn)。避障系統(tǒng)的設(shè)計方法中有行為控制法、人工勢場法、氣泡帶方法及模糊算法等[6-9]。行為控制法是這些方法中應(yīng)用最廣泛的，其計算量小、實(shí)時性強(qiáng)，可以適用多種復(fù)雜的工作環(huán)境避障計算，是一種比較傳統(tǒng)的動態(tài)算法。模糊算法[10-12]屬于智能控制算法，適用于自主避障系統(tǒng)的應(yīng)用。具有自主避障能力的機(jī)器人可以感應(yīng)工作環(huán)境并及時修改前進(jìn)路線，為保證避障系統(tǒng)的正常運(yùn)行，避障系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮到系統(tǒng)避障算法運(yùn)行的魯棒性和快速識別感應(yīng)能力。避障系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是通過傳感器采集工作環(huán)境信息，將環(huán)境信息通過算法模塊計算，計算結(jié)果輸出，指揮機(jī)器人動作。

本文基于籃球運(yùn)動避障系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，借鑒籃球運(yùn)動進(jìn)攻防守中的自主識別避障的原理，設(shè)計出可自主識別移動或未知的障礙物，并及時計算出可行的行進(jìn)軌跡，完成操作的農(nóng)業(yè)機(jī)器人。

1 避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于籃球運(yùn)動的避障系統(tǒng)主要由三大模塊組成：傳感器模塊、算法模塊和收發(fā)電路控制模塊。其中，收發(fā)電路控制模塊主要包括電源、顯示器和電路，是比較易于控制的一個模塊，可為系統(tǒng)工作電源、行為控制提供良好的硬件環(huán)境。算法模塊中，采用模糊算法進(jìn)行行為控制。

傳感器模塊采用多傳感器器融合的策略。農(nóng)業(yè)機(jī)器人避障系統(tǒng)中所運(yùn)用的傳感器可分為被動式和主動式：被動式傳感器(如視頻傳感器)通過采集環(huán)境中的圖像信息分析工作地圖，圖像信息常常會被干擾，無法搜索到完整正確的信息，易對機(jī)器人的路徑規(guī)劃造成誤差；主動式傳感器有紅外線傳感器及超聲波傳感器等，是通過發(fā)射光線或聲波到工作環(huán)境中，根據(jù)光線或聲波遇到障礙物反射回來獲得的信息來分析環(huán)境地圖結(jié)構(gòu)。

1)紅外線傳感器：紅外線傳感器測距范圍最大可達(dá)到80cm，其元件采用了光敏三極管，故可調(diào)節(jié)檢測范圍的靈敏度。這類傳感器優(yōu)點(diǎn)為測距范圍比較大，受工作環(huán)境中可見光的影響比較小，檢測范圍的盲區(qū)小，安裝簡單，價格便宜，可在許多環(huán)境中使用。

2)超聲波傳感器：超聲波傳感器中發(fā)射的是振動頻率比較高的機(jī)械波，穿透力很強(qiáng)，不管是固體還是液體都有很好的穿透效果，在固體障礙物中的穿透距離可以達(dá)到幾十米遠(yuǎn)。雖然超聲波的穿透效果好，但是在機(jī)械波遇到障礙物時會產(chǎn)生非常明顯的反射現(xiàn)象，當(dāng)工作環(huán)境中存在移動的物體時，超聲波遇到就會發(fā)生多普勒效應(yīng)。超聲波傳感器的檢測范圍可達(dá)到450cm。

考慮到性價比和避障效果，本避障系統(tǒng)設(shè)計將上述兩種傳感器融合使用，可以更好地彌補(bǔ)紅外線傳感器檢測時由于距離比較遠(yuǎn)和障礙物移動造成的無法實(shí)時檢測到的問題。

2 模糊控制器

模糊控制是一種智能控制方法。美國科學(xué)家Zadeh在1965年提出了模糊集合論，在此基礎(chǔ)上結(jié)合模糊語言變量和模糊邏輯推理，提出了模糊控制這種計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。根據(jù)模糊控制技術(shù)，人們很快研究出了非常實(shí)用的模糊控制器。

模糊控制器由以下4部分組成：

1)模糊化。模糊化的作用主要是選定輸入量，并將輸入量轉(zhuǎn)變成為控制系統(tǒng)可以識別的輸入量。即先選定已經(jīng)處理合格并滿足模糊控制要求的輸入量，將處理過后的輸入量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并確定輸入量的取值與合適的隸屬度函數(shù)。

2)模糊規(guī)則庫。模糊控制規(guī)則庫是根據(jù)眾多研究經(jīng)驗(yàn)來建立的，是從經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槟：刂撇僮鞯年P(guān)鍵。

3)模糊推理?；谥R經(jīng)驗(yàn)推理出來的決策。

4)去模糊化。將推理的決策轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂戚敵觥?/p>

模糊控制器的使用解決了傳統(tǒng)控制器依賴系統(tǒng)參數(shù)來設(shè)計避障系統(tǒng)的問題。模糊控制根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來建立規(guī)則庫，適用于處理非線性問題，在無法建立數(shù)學(xué)模型時，模糊控制可以直接使用規(guī)則庫中的規(guī)則，且規(guī)則庫中的規(guī)則是由人輸入的，易于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。這可以說是一種人工智能控制方法，且計算量小，適應(yīng)性非常廣，可以用于多種領(lǐng)域。

3 行為控制

系統(tǒng)的行為基本可分為避障行為、目標(biāo)行為及緊急行為，這些行為可以根據(jù)機(jī)器人的使用需要設(shè)定優(yōu)先級。當(dāng)兩個或多個行為同時被激活時，根據(jù)事先設(shè)定的優(yōu)先級別。優(yōu)先級別高的行為先執(zhí)行，優(yōu)先級別低的放在后面。機(jī)器人行進(jìn)過程中會在各行為中進(jìn)行切換，以 [r1,r2,…rn]為輸入變量，以[z1,z2,…,zn]為決策行為狀態(tài)，當(dāng)輸入r1時，相應(yīng)的行為被激活，并輸出決策z1；當(dāng)兩個行為同時被激活時，則融合輸出決策M(jìn)。

3.1 避障行為

避障行為是避障系統(tǒng)是否有效實(shí)時運(yùn)行的表現(xiàn)。采用VFH+算法來計算避障行為， VFH+算法是通過假設(shè)機(jī)器人為圓形，在遇到移動物體時考慮到運(yùn)動學(xué)的問題，設(shè)定機(jī)器人以圓弧形路徑避開障礙物。

3.2 目標(biāo)行為

目標(biāo)行為是機(jī)器人向目的地行進(jìn)，是傳感器在識別到機(jī)器人作為障礙物比較少被激活的。當(dāng)障礙物比較少或是沒有時，模糊控制器會加快機(jī)器人的移動速度向目標(biāo)行進(jìn)，這個過程中會根據(jù)傳感器采集的環(huán)境信息并不斷地優(yōu)化設(shè)定路徑，且可以通過調(diào)整隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)變目標(biāo)，滿足機(jī)器人目的地變換等要求。

3.3 緊急行為

緊急行為的啟動取決于事先設(shè)定的安全距離，傳感器在機(jī)器人移動過程中會不斷地檢測機(jī)器人周圍障礙物的距離；當(dāng)機(jī)器人與障礙物的距離小于安全距離時，激活緊急行為，控制農(nóng)業(yè)機(jī)器人停止前進(jìn)或進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

4 仿真試驗(yàn)

仿真試驗(yàn)采用四輪搖桿機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)對象，機(jī)器人的每個輪子可驅(qū)動也可轉(zhuǎn)向，車體中間安裝超聲波傳感器，車體前方、后方、左右方各安裝兩個紅外傳感器，共9個傳感器。實(shí)驗(yàn)場所為一個6m×3m平臺，試驗(yàn)中動態(tài)的障礙物為3個籃球，固定障礙物為2個籃球框。仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

在仿真試驗(yàn)進(jìn)行過程中，農(nóng)業(yè)機(jī)器人根據(jù)籃球滾動的方向自主避開。在實(shí)行避障措施時，還應(yīng)考慮機(jī)器人前方路徑的尺寸是否能夠通過及在轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性問題。這些都是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主避障的前提條件，也是避障系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮到的約束條件。

圖1 移動機(jī)器人自主避障仿真試驗(yàn)Fig.1 Mobile robot autonomous obstacle avoidance simulation test

5 結(jié)論

借鑒籃球運(yùn)動中個人防守意識，將自方籃板和對方籃板比喻為機(jī)器人行走的起點(diǎn)和終點(diǎn)，隊員從起點(diǎn)出發(fā)，中間需要避開眾多對手?jǐn)r截，到達(dá)終點(diǎn)(對方籃板)進(jìn)行投球，與機(jī)器人自主避開進(jìn)行過程中出現(xiàn)的移動障礙物一樣，需要自身識別障礙物并判斷障礙物的運(yùn)動方向，自主避開達(dá)到終點(diǎn)。

本自主避障系統(tǒng)可適用于復(fù)雜多變的環(huán)境，采用模糊控制器對采集工作環(huán)境信息進(jìn)行融合處理，并做出自主避障決策，實(shí)現(xiàn)避障系統(tǒng)的智能化。通過仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和實(shí)時性。避障系統(tǒng)的智能避障為機(jī)器人使用的范圍擴(kuò)大提供了更多可能性。