移動(dòng)機(jī)器人自主避障能力淺析

韓敏

隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人逐漸向智能化發(fā)展，越來越多的機(jī)器人應(yīng)用在工廠、倉庫、酒店、商場、餐廳等復(fù)雜環(huán)境中，機(jī)器人在環(huán)境信息未知的情況下移動(dòng)，會(huì)遇到各種各樣的障礙物，如何快速安全避開這些障礙，最后到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)并且順利完成任務(wù)，是衡量移動(dòng)機(jī)器人性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，也是移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜多變環(huán)境中穩(wěn)定、安全、高效完成任務(wù)的重要保障。

避障常用傳感器

機(jī)器人避障技術(shù)的核心包括了傳感器和規(guī)劃算法的選擇。機(jī)器人通過傳感器來感知周圍環(huán)境，就避障來說，移動(dòng)機(jī)器人需要通過傳感器實(shí)時(shí)獲取自身周圍障礙物信息，包括尺寸、形狀和位置等，常使用的傳感器包括超聲波傳感器、紅外傳感器、激光雷達(dá)和視覺傳感器。以上幾種最常見的傳感器，各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，激光雷達(dá)是目前最成熟也最為核心的傳感器，同時(shí)配置其他傳感器，對不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證，以及信息融合，最大化保證在各種不同的應(yīng)用和環(huán)境條件下，機(jī)器人能夠正確感知障礙物信息，穩(wěn)定可靠的工作。

避障常用的算法

目前移動(dòng)機(jī)器人的避障根據(jù)環(huán)境信息的掌握程度可以分為障礙物信息已知、障礙物信息部分未知或完全未知兩種。傳統(tǒng)避障方法主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無碰撞全局路徑規(guī)劃，經(jīng)典的算法有人工勢場法、柵格法、自由空間法等。當(dāng)障礙物信息未知或者障礙物可移動(dòng)的情況，傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法一般不能很好的解決避障問題。而實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，機(jī)器人大多所處的環(huán)境都是動(dòng)態(tài)、可變、未知的，隨著處理器計(jì)算能力的提高及傳感器技術(shù)的發(fā)展，一系列智能避障方法應(yīng)運(yùn)而生，智能優(yōu)化算法一般都是建立在生物智能或物理現(xiàn)象基礎(chǔ)上的隨機(jī)搜索算法，比較熱門的有遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法等，智能避障算法在很大程度上提高了機(jī)器人避障的成功率。

避障能力測試

為了更好地保障機(jī)器人在移動(dòng)過程中不發(fā)生碰撞，確保周圍物品、人員及機(jī)器人自身安全，機(jī)器人避障能力的檢測至關(guān)重要。機(jī)器人避障能力測試包括障礙物探測和障礙物規(guī)避測試。

（1）障礙物探測測試是指針對不同幾何形狀和材質(zhì)的障礙物，機(jī)器人的探測能力和障礙物距離檢測能力。在障礙物探測測試中，一般基于機(jī)器人制造商指定的最小和最大傳感范圍，設(shè)置不同大小，不同形狀、不同材質(zhì)的障礙物。障礙物的選擇從材質(zhì)方面，除了墻面，木質(zhì)平面，還需測試玻璃面、鏡面等易出問題的材質(zhì);從數(shù)量方面，障礙物可設(shè)置單個(gè)和多個(gè);從狀態(tài)方面，需設(shè)置靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物;從光線的影響方面，需設(shè)置光線充足和黑暗等情況。通過多次試驗(yàn)去測試機(jī)器人發(fā)現(xiàn)障礙物的成功率，成功率越高則避障性能越好。同時(shí)，還需測試機(jī)器人是否能在其相對位置的最小和最大范圍內(nèi)檢測到障礙物，并判定機(jī)器人從目標(biāo)位置檢測障礙物的距離精度和準(zhǔn)確性。

（2）障礙物規(guī)避測試是判定機(jī)器人通過停止或執(zhí)行適當(dāng)?shù)囊?guī)避動(dòng)作來防止與靜態(tài)或動(dòng)態(tài)障礙物碰撞的能力。在障礙物與機(jī)器人的任何部分發(fā)生物理接觸前，機(jī)器人必須停止，如發(fā)生避障動(dòng)作，應(yīng)按照制造商的規(guī)定，保持障礙物與機(jī)器人任何部件之間的最小距離，如果機(jī)器人沒有達(dá)到目標(biāo)位置或在行進(jìn)過程中碰到障礙物，則視為試驗(yàn)失敗。

目前機(jī)器人避障能力還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)時(shí)和全自主的要求，隨著傳感器技術(shù)和算法的不斷優(yōu)化，移動(dòng)機(jī)器人的障礙物識(shí)別與避障能力有待進(jìn)一步提高。