基于激光傳感器的機器人巡弋方法研究

杜俊蓉+王金祥

摘 要： 本實驗結合激光傳感器與機器人的運動控制系統，能夠使機器人實現本體定位、感知環境并且結合地圖做出路徑規劃，最終實現機器人在已知地圖自主巡邏，在機器人巡邏的過程中能夠偵測危險情況，并反饋已發現的異常情況，完成機器人的巡弋功能。

關鍵詞： 機器人；巡弋；激光傳感器；異常情況

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.146

智能機器人融合了傳感器技術、模式識別、機器學習等多學科知識，在農業、工業、軍事及日常生活領域都發揮了重要的作用，逐漸成了人們生活中不可缺少的一部分。愈加復雜的環境與繁多的工種也要求機器人實現更加智能的功能，對機器人的自主性及智能性提出了更多的挑戰。

1 研究的現狀及意義

隨著計算機、網絡、機械電子、信息、自動化、以及人工智能的飛速發展，智能機器人進入了一個高速的發展階段，所以利用機器人進行巡弋以達到在日常生活、工業、反恐等領域之中代替人類完成高難度工作成為一個新的熱點問題。

現階段，“人工智能”是最大的熱點之一，智能機器人的應用領域廣泛，通過它可以探知巡邏人類難以進入的未知特定環境，并進行特定操作，不但可以代替人類進行高危險性的工作，還可以節省人力，提高效率，在實踐方面具有非常高的應用價值。機器人巡弋方法的研究是這個領域中一個具有理論意義與實踐意義的研究方向。

2 機器人巡弋地圖的創建

要對機器人進行巡弋方面的研究，首先必須先進行機器人將要巡弋區域的地圖創建工作。讓機器人在特定區域進行巡邏，并保存巡邏區域的地圖信息。

地圖創建有兩種方式，拓撲結構構件地圖與幾何地圖。這里我們通過坐標方式來保存地圖信息，對地圖進行合理建立直角坐標系，將整個地圖特殊邊角通過坐標值體現，在編程中采用數組保存地圖坐標。為保證地圖的精確性，所以在地圖創建之前首先要把地圖信息測量好，需要將誤差消除在0.02m以內，用米尺測量、用機器人邊走邊使用激光測量掃過距離值，最終測出地圖信息。

3 機器人巡弋方法

為了能夠實現機器人行走、接近目標完成任務。機器人需要一定的算法知道自己在地圖中的位置才能完成命令。所以在開始巡弋前，還要對機器人本身進行自定位，在此采用的是基于軸角編碼器實現機器人自身位姿的研究方法，利用機器人的相對偏轉角度和和相對位移實現對機器人的自定位。

在完成對機器人自定位后，采用沿墻走算法實現機器人巡弋功能，本文重點研究的是機器人結合激光傳感器實現的沿墻走算法。在此階段，我們具體把沿墻走算法劃分為兩種狀態，一種是靠近墻行走狀態，另一種是沿墻行走狀態。

激光傳感器測量的是一個0°～180°的半圓扇形區域，我們把激光傳感器分為三個區域，180°（已機器人視角為激光最左側）、90°（正前方）、0°（右側）來檢測三個方向距離信息。

首先在靠近墻的狀態下，我們將其分為三種具體的情況，采用三束激光分別為85°90°95°方向發出，下面敘述中L85°代表85度角方向測得的距離信息。當L85°*cos5°=L90°=L95°*cos5°時，說明機器人與前方墻垂直，當L85°*cos5°L90°>L95°*cos5°時，說明機器人應順時針偏轉一定角度才能與墻平行前進。機器人選擇方向后將按照這個方向前行，在對靠近墻行走狀態的機器人調整完成后，進入沿墻行走狀態，機器人靠近墻后與墻保持一個安全距離開始執行沿墻走模式，在沿墻走狀態過程中要盡量保持機器人行走路徑與墻平行，此時機器人會有些小抖動，進入誤差范圍則平穩沿墻前行。

4 異常情況檢測

在本實驗中，巡邏報警主要針對在機器人運行過程中，對地圖異常信息的實時監測，比如有陌生人出入等現象。在機器人巡邏的過程中，如果通過激光傳感器檢測到行人，機器人會停止運動，并且讓機器人記錄機器人與被檢測目標。機器人通過自身坐標、目標距離可以計算出目標坐標。記錄目標人出現的位置坐標、時間段，實現對異常情況的監測分析。所以在地圖創建的過程中，實驗區域內的門是主要需要監視的區域，當機器人檢測到門開時，能夠讓機器人記錄巡邏區域異常信息、位置、時間。機器人在巡邏的過程中，需要檢測關鍵位置的門是否開關，識別非法入侵。對于門開啟狀態的兩種可能，門向內開與門向外開，我們需要在地圖信息坐標標注FLAG，當機器人巡邏在關鍵FLAG的時候，與地圖匹配優先于沿墻走。如果發現有在激光L180°測到的數值異常過大，說明門開啟，讓機器人暫停運動。根據坐標范圍記錄是哪道門開啟。

5 機器人巡弋結果分析

機器人在實驗區域巡弋，我們讓其中的幾扇門開啟-關閉，地圖中門默認為關閉狀態，讓機器人保存其信息，巡邏結束記錄信息。我們以地圖最左下角的墻角設置為原點（0，0），打開其中兩扇門，供機器人檢測。機器人在已知地圖下進行巡邏，全程按著沿墻走算法在固定路徑進行巡邏，我們通過在地圖標識特殊信息，使機器人在巡邏的過程中反饋異常信息：是陌生人還是特定的教室門異常開啟狀態。機器人將異常信息通過坐標值反饋告警信息。

機器人在運動的過程中可以實時監測自己的坐標變化，實現了機器人的自定位。巡邏主體算法是沿墻走，使機器人在已知地圖的情況下沿墻巡邏。我們在記錄地圖信息的過程中保存了特殊的地圖信息，比如重點監測區域：門的開啟與否。機器人在巡邏的過程中將檢測到的信息與地圖匹配。完成了整個機器人巡弋過程。

實驗效果直觀的反映出該方法的有效性，本文首先對機器人巡弋區域進行地圖生產。通過對機器人自定位綜合分析與處理，再利用沿墻走算法實現巡邏，最后將檢測到的異常情況進行反饋，較好的實現了機器人巡弋工作，算法的實時性和魯棒性也較好。

作者簡介：杜俊蓉（1996-），女，吉林四平人，本科。