考慮障礙避讓的尋跡機(jī)器人多路徑信息智能定位方法

姜旭東，杜銀波，于學(xué)斗

（1.臨沭縣人民醫(yī)院設(shè)備科，臨沂 276700；2.德州學(xué)院，德州 253023）

0 引言

可移動(dòng)的尋跡機(jī)器人能夠感知周?chē)h(huán)境，并能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)決定的執(zhí)行與規(guī)劃來(lái)控制自身的運(yùn)動(dòng)，尋跡機(jī)器人技術(shù)的誕生與發(fā)展對(duì)于人類(lèi)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)帶來(lái)了巨大的影響。尋跡機(jī)器人由于自身具有一定的路徑?jīng)Q策功能，因此能夠在一些惡劣條件下代替人類(lèi)進(jìn)行一些工作，在生產(chǎn)、駕駛等多個(gè)領(lǐng)域均取得了較好的效果[1]。但是目前尋跡機(jī)器人在多路徑信息的智能定位中，由于尋跡機(jī)器人在工作范圍內(nèi)會(huì)存在一定的障礙。與傳統(tǒng)的工業(yè)用機(jī)器人相比，尋跡機(jī)器人服務(wù)的區(qū)域環(huán)境是具有一定機(jī)動(dòng)性的。也就是說(shuō)，在工作范圍內(nèi)，可能出現(xiàn)的障礙物的數(shù)量以及位置都是隨機(jī)的，傳統(tǒng)的尋跡機(jī)器人多路徑信息智能定位中所得到的機(jī)器人路徑還有一定的優(yōu)化空間，從路徑長(zhǎng)度上來(lái)說(shuō)并不是可選擇的最佳路徑，為了提升機(jī)器人工作效率，因此本文在考慮障礙避讓的情況下，設(shè)計(jì)一種尋跡機(jī)器人多路徑信息智能定位方法。

1 考慮障礙避讓的尋跡機(jī)器人多路徑信息智能定位方法

1.1 引入基于障礙避讓的傳感器技術(shù)

對(duì)于工業(yè)用途中的尋跡機(jī)器人來(lái)說(shuō)，在任務(wù)進(jìn)行的過(guò)程中，遇到障礙物會(huì)發(fā)生一定的碰撞，導(dǎo)致?lián)p壞或側(cè)翻，在多路徑的信息智能定位方面也存在誤差，因此影響機(jī)器人在正常工作中的性能。為了保證尋跡機(jī)器人能正常工作，需要使機(jī)器人能夠?qū)φ系K進(jìn)行避讓。傳感器的主要作用就是能夠精準(zhǔn)獲取環(huán)境外部信息，令機(jī)器人在任務(wù)完成的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)障礙避讓[2]。機(jī)器人中安裝的傳感器必須要能夠精準(zhǔn)地測(cè)量到行駛范圍內(nèi)障礙物的狀態(tài)數(shù)值，主要是由于傳感器內(nèi)部存在特定部件，能夠測(cè)量出我們需要的信息，在獲取到數(shù)值信息之后，將其轉(zhuǎn)換成傳感器可以發(fā)送的電信號(hào)，在信號(hào)調(diào)節(jié)以及內(nèi)部組件的共同作用下完成信號(hào)的傳輸。傳感器的種類(lèi)很多，因此一些傳感器在進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要預(yù)轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與電信號(hào)之間的變動(dòng)。除此之外，傳感器中還存在一些敏感元件，能夠直接測(cè)得理化信號(hào)并完成內(nèi)部計(jì)算，直接輸出對(duì)應(yīng)的參數(shù)量，例如熱敏電阻就能夠感知溫度變化，并將其轉(zhuǎn)化成電參量之間的變化。另外，傳感器中的轉(zhuǎn)換元件也是重要的核心部分，在實(shí)際的應(yīng)用中，傳感器整體的使用應(yīng)該具有測(cè)量范圍足夠大的量程，并與機(jī)器人和工作環(huán)境具有較好的適配性[3]。對(duì)于紅外傳感器來(lái)說(shuō)，需要能夠發(fā)射和接收紅外光，利用障礙物的反射光接收時(shí)間差，能夠計(jì)算出障礙物距離。搭配超聲波傳感器中陶瓷片所具有的壓電效應(yīng)，能夠利用超聲波對(duì)外部環(huán)境信息進(jìn)行探測(cè)。壓電陶瓷片的極化效應(yīng)如圖1所示。

圖1中的極化效應(yīng)實(shí)際上是傳感器壓電陶瓷片受到外界壓力后的一種微小變化。當(dāng)壓電陶瓷片接收到傳感電壓之后，由于電荷之間的作用力影響，電陶瓷片外部電荷會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象從而發(fā)生形變，傳感器通過(guò)微小的形變來(lái)實(shí)現(xiàn)消息的傳遞與接收。

圖1 壓電陶瓷片的極化效應(yīng)

1.2 尋跡機(jī)器人工作多路徑信息建模

通過(guò)傳感器技術(shù)獲取到障礙物信息后，由于機(jī)器人僅在地面移動(dòng)，因此在建模過(guò)程中，忽略掉障礙物的高度，在二維環(huán)境下進(jìn)行環(huán)境建模，通過(guò)傳感器接收到的信息，對(duì)機(jī)器人工作的空間進(jìn)行靜態(tài)分割，分割成兩個(gè)或兩個(gè)以上的區(qū)域，在信息智能定位的過(guò)程中可以大幅提高計(jì)算效率[4]。在一般的方法中，一般利用柵格來(lái)構(gòu)建環(huán)境地圖，這樣能夠?qū)C(jī)器人和障礙物有效的利用顏色進(jìn)行區(qū)分，并且能夠控制柵格的大小來(lái)滿足不同建模的精細(xì)程度。柵格建模能夠?qū)崿F(xiàn)具體環(huán)境的離散化，并能夠清晰展現(xiàn)出機(jī)器人的運(yùn)行路徑，并在計(jì)算過(guò)程中提供便利，并將柵格與實(shí)際環(huán)境區(qū)域進(jìn)行對(duì)應(yīng)。在機(jī)器人工作過(guò)程中所建立的二維環(huán)境區(qū)域內(nèi)，在進(jìn)行環(huán)境建模分割之前，首先要設(shè)置機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)所有障礙物的邊長(zhǎng)集合為h，則可以得到環(huán)境建?？臻g中的分割閾值，設(shè)置為范圍內(nèi)最大障礙物的邊長(zhǎng)長(zhǎng)度值hd，可以用式(1)來(lái)表示：

在建模過(guò)程中，假設(shè)機(jī)器人工作的范圍空間長(zhǎng)度為H，將整個(gè)范圍內(nèi)的二維環(huán)境模型利用分割閾值分割，根據(jù)具體分割次數(shù)的不同，得到不同的分割部分[5]。在環(huán)境空間建模的過(guò)程中，需要正確識(shí)別傳感器探測(cè)的射線，確定射線將要進(jìn)入的分區(qū)序號(hào)Nnew，判斷過(guò)程如式(2)所示：

上式中，zpc表示尋跡機(jī)器人所攜帶的傳感器在超聲波/紅外管發(fā)射射線分割點(diǎn)的映射位置；z表示該射線在行駛范圍內(nèi)的二維方向向量的高度絕對(duì)值；u和d為下半分區(qū)中某靜態(tài)小分區(qū)序號(hào)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)所有點(diǎn)進(jìn)行最小化處理，能夠得到點(diǎn)之間的平面距離和像素值差異，得到精確建模位姿。

1.3 規(guī)劃信息定位路徑

尋跡機(jī)器人在完成工作范圍內(nèi)的信息建模之后，根據(jù)得到的模型需要對(duì)自身的行走路徑進(jìn)行規(guī)劃，在全局規(guī)劃下根據(jù)得到的實(shí)時(shí)環(huán)境模型有效規(guī)避障礙物，并選擇最優(yōu)路徑達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)。尋跡機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中，需要根據(jù)內(nèi)置的導(dǎo)航行進(jìn)航線的調(diào)整和轉(zhuǎn)向，傳感器的位置也一般在機(jī)器人的中心位置，且發(fā)射出的信號(hào)基本是平行于地面的。機(jī)器人在這樣的二維空間下，當(dāng)預(yù)先設(shè)定了某種任務(wù)需求時(shí)，能夠利用遍歷的方法找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)找到路徑最短的且能夠完成障礙避讓的路徑。本文在規(guī)劃信息定位路徑的過(guò)程中，不僅需要從全局視角下進(jìn)行規(guī)劃，還需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)局部路徑進(jìn)行規(guī)劃。局部的路徑修正一般是保證總體上機(jī)器人行進(jìn)的路程最短，在經(jīng)過(guò)角度和距離的計(jì)算之后，將得到的結(jié)果結(jié)合信息模型進(jìn)行綜合分析，將最終的結(jié)果發(fā)送到串口位置。路徑規(guī)劃的修正流程如圖2所示。

圖2 路徑規(guī)劃的修正流程

在轉(zhuǎn)向判斷的過(guò)程中，需要在機(jī)器人的導(dǎo)航線上選取任意兩個(gè)點(diǎn)，并獲取這兩點(diǎn)的坐標(biāo)和傳感器的重心坐標(biāo)，并假設(shè)任意兩點(diǎn)間的連線方向?yàn)闄C(jī)器人的行駛方向，并根據(jù)坐標(biāo)之間的計(jì)算關(guān)系，確定傳感器在行進(jìn)方向上的位置。在圖像上能夠表示出中心點(diǎn)和導(dǎo)航線之間的關(guān)系，利用幾何知識(shí)能夠判斷出機(jī)器人的位置。在機(jī)器人前進(jìn)的過(guò)程中，如果遇到障礙物，需要進(jìn)行行為仲裁執(zhí)行，在遇到障礙物是，需要抑制前行的保持行為，根據(jù)信息定位過(guò)程中的規(guī)則來(lái)執(zhí)行減速避障行為。

為了精準(zhǔn)地確定機(jī)器人的偏離程度，需要計(jì)算出精確的偏離角度，能夠提升機(jī)器人在行走過(guò)程中的準(zhǔn)確度。偏離夾角的計(jì)算公式為：

上式中，（x1，y1）、（x2，y2）是選擇的任意兩點(diǎn)的坐標(biāo)，那么當(dāng)發(fā)生偏離時(shí)，則有：

上式中，（x3，y3）是傳感器的坐標(biāo)。對(duì)于路徑中間含有特定目標(biāo)點(diǎn)的情況下，機(jī)器人在工作范圍內(nèi)，從預(yù)先設(shè)置的起點(diǎn)出發(fā)，在最終達(dá)到終點(diǎn)的過(guò)程，中間還會(huì)按照順序有若干個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人需要按照一定的順序進(jìn)行?？?。在這樣的形式任務(wù)下，想要得到最優(yōu)路徑，就需要從全局進(jìn)行規(guī)劃。本文信息智能定位方法的主要目標(biāo)是令機(jī)器人在工作過(guò)程中，從起點(diǎn)到終點(diǎn)選擇總長(zhǎng)度最短的路徑，根據(jù)最短路徑的算法，構(gòu)建出網(wǎng)格圖來(lái)方便計(jì)算，按照各個(gè)中間目標(biāo)點(diǎn)的位置建立集合，將各點(diǎn)之間的最短路徑求出，并與障礙物的形狀信息之間進(jìn)行融合，并記錄到有效的可視點(diǎn)和可視路徑的長(zhǎng)度，能夠得到相應(yīng)的可視點(diǎn)。由于障礙物形狀的不同，可以得到多條不同的路徑，取所有可行路徑的最短路程的最小者，即完成多路徑之間的信息智能定位，得到尋跡機(jī)器人的最佳路徑規(guī)劃。至此完成考慮障礙避讓的尋跡機(jī)器人多路徑信息智能定位方法的設(shè)計(jì)。

2 方法性能測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境流程設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的考慮障礙避讓的尋跡機(jī)器人多路徑信息智能定位方法的有效性，需要將設(shè)計(jì)的智能定位方法在實(shí)際的應(yīng)用中進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)尋跡機(jī)器人的工作范圍為300*200的長(zhǎng)方形區(qū)域，并在其中設(shè)置不同形狀的障礙物，并在其中設(shè)置多個(gè)不同形狀的障礙物。測(cè)試實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地障礙物的示意圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試場(chǎng)地障礙物示意圖

上圖中，點(diǎn)O為尋跡機(jī)器人的起始位置，在以該點(diǎn)作為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系時(shí)，可以利用坐標(biāo)描述出不同形狀障礙物頂點(diǎn)或圓心的位置。假設(shè)上圖中每個(gè)小方格的邊長(zhǎng)為一個(gè)單位，那么設(shè)定尋跡機(jī)器人在直線行走的過(guò)程中最大速度為3個(gè)單位每秒，在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，最大的轉(zhuǎn)彎速度可以通過(guò)下式求出：

上式中，r表示轉(zhuǎn)彎半徑，轉(zhuǎn)彎過(guò)程中如果最大速度超過(guò)上式所得的值，那么機(jī)器人將會(huì)發(fā)生側(cè)翻影響接下來(lái)的測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中，存在以下幾個(gè)特殊點(diǎn)，點(diǎn)O（0，0），點(diǎn)A（110，80），B（50，170），C（250，180）。在考慮到障礙避讓的過(guò)程中，機(jī)器人從點(diǎn)O出發(fā)，依次經(jīng)過(guò)A、B點(diǎn)，以C點(diǎn)作為機(jī)器人的行駛終點(diǎn)，并分別使用本文設(shè)計(jì)的考慮障礙避讓的尋跡機(jī)器人多路徑信息智能定位方法和傳統(tǒng)的基于模糊控制的信息智能定位方法進(jìn)行測(cè)試，利用兩種方法分別得到兩種不同的路徑規(guī)劃方案，并對(duì)比兩種路徑的優(yōu)劣。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，分別得到兩種定位方法下最終計(jì)算出的尋跡機(jī)器人路徑，如圖4所示。

圖4 兩種方法路徑對(duì)比

將上圖中的測(cè)試結(jié)果輸入到分析軟件中進(jìn)行編程計(jì)算，得到的分析結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方法下的路徑分析

根據(jù)上表中得到的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出兩種方法下尋跡機(jī)器人行駛的總路線長(zhǎng)度，傳統(tǒng)的基于模糊控制定位方法路徑方案的總距離為604.76個(gè)單位，本文方法路徑方案的總距離為475.51個(gè)單位，對(duì)比兩路線的距離，可以得知本文多路徑信息智能定位方法下得到的路徑方案更短，對(duì)于尋跡機(jī)器人在實(shí)際中的應(yīng)用，是具有一定的便利和指導(dǎo)性的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)尋跡機(jī)器人目前在多路徑信息智能定位方面存在的劣勢(shì)進(jìn)行了研究，在考慮障礙避讓的情況下，引入傳感器技術(shù)，完成多路徑信息的建模，規(guī)劃信息定位路徑，在機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)之間得到一條能夠有效避障且距離最短的行駛路徑。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中也證明了方法的可行性和有效性，但是由于時(shí)間關(guān)系的限制，在實(shí)驗(yàn)中障礙物環(huán)境比較簡(jiǎn)單，并且僅僅考慮了機(jī)器人的直線行走，在今后的研究中，需要對(duì)算法方面進(jìn)行優(yōu)化，測(cè)試復(fù)雜環(huán)境，并將機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的曲線運(yùn)動(dòng)考慮進(jìn)去，在本文方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。