基于激光傳感器的機器人避障方法研究

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，進而計算出障礙物與機器人的距離與方位信息，根據三態避障法將機器人分為初級避障態、沿墻態、緊急避障態。實驗效果表明該方法實時性強，魯棒性好。

關鍵詞：機器人避障;初級避障態;沿墻態;緊急避障

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

1 機器人基本避障方法研究

隨著人類對機器人避障領域的深入研究，現今已產生了許多成熟的機器人避障方法。例如經典的超聲波避障方法，聲波傳感器定向的發射和接收超聲波，根據檢測到的情況實現避障。此外還有得到廣泛應用的視覺圖像避障法，通過搭載攝像頭的方法感知環境圖像，使用圖像處理技術對其進行分析處理，以此提供環境信息，完成障礙物檢測。本文基于激光傳感器，提出了一種三態避障法。

2 本文避障方法

三態避障方法將避障系統分為三種狀態，初級避障態、沿墻態、緊急避障態。針對圓形輪式機器人，機器人前方搭載激光測距儀，通過激光傳感器獲得機身與障礙物的距離和角度信息，判斷當前機器人所處的狀態。然后根據所處的狀態，機器人按照一定的算法進行避障行走。

2.1 初級避障態

初級避障態是為了提高避障的流暢度并且能夠與沿墻態銜接的一個狀態。如果障礙物進入了初級避障范圍，那么機器人會以圓弧運動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，后期運動交給沿墻算法處理。若該障礙物不是墻壁，則后期會根據檢測出的數據改變運動軌跡或者切換系統狀態。

設初級避障態中機身與障礙物的最短距離為，初級避障態讓機器人走一個半徑為的圓弧路徑。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算出相同的值，機器人就會走一個圓弧路徑直到進入沿墻態。若不存在，則傳感器每次掃描后都會計算出一個新的值，這也就意味著機器人會走一個類拋物線的路徑。

2.2 緊急避障態

在緊急避障態中，機器人和障礙物距離已經非常接近，繼續運動下去可能會發生碰撞。因此機器人在進入該狀態后，應該立刻停止運動，然后進行原地轉向，直到進入其它狀態。

因為激光傳感器是存在盲區的，所以機器人在原地旋轉時，障礙物可能會進入傳感器的盲區。為了保證障礙物不會與機器人發生碰撞，障礙物在盲區時與機身最近的距離要大于零。設緊急避障態的閾值為，此閾值要保證障礙物離機器人的距離大于零的同時還應保證機身前的傳感器不會與障礙物發生碰撞。另外機器人在運行中，采集和處理數據以及控制電機都需要時間而且機器人在運動時還有一定的慣性，所以應當將閾值設大一些，留有一定的緩沖距離。

2.3 沿墻態

沿墻態的設置是為了提高機器人避障的穩定性，防止機器人亂走。在該狀態下，機器人始終沿著墻壁走，墻起到了一個引導的作用，通過這種方法可以解決避障死鎖的問題。

沿墻態中，機器人始終與墻平行并保持一定距離，但是要讓機器人完全走出直線是不太可能的，所以需要在運動過程中實時地調整姿態。

在沿墻壁前進的過程中，激光傳感器需要不斷采集30度和150度角方向機身與墻的距離，然后與剛進入沿墻態時30度和150度方向的初始距離進行對比，如果比初始距離小，說明機器人正在靠近墻，需要向遠離墻一側調整。反之，向接近墻的一側調整。

2.4 各種狀態轉換策略

首先傳感器不斷采集障礙物與機器人的距離，并計算出機身與障礙物距離。當<=時，達到初級避障態的閾值，機器人進入避障狀態。之后根據距離和角度來判斷具體進入了哪種避障狀態。

若<=，說明機器人已經到達了緊急避障態的閾值。機器人會進行原地旋轉，直到>脫離緊急避障態。

若<<=，機器人則可能處于初級避障態或者沿墻態。如果<<=，這時并沒有達到沿墻態的閾值，機器人處于初級避障態。當<且在0度<<5度或170度<<180度時，探測到的障礙物與機身距離和不滿足三角關系，說明機器人沒有和墻保持平行，所以依然處于初級避障態。

只有當<且0度<<5度或170度<<180度滿足三角關系時，才進入沿墻態。

3 實驗結果與分析

實驗機器人左右輪距為34cm，后方一個萬向從動輪。緊急避障態的閾值必須保證側面無碰撞，必須使必須大于0，帶入數據后可得閾值。機身前方的激光傳感器長度為145mm，所以也能保證傳感器不會受到碰撞。但是機器人在獲取距離數據與控制電機運動有一個延遲，所以要適當提高閾值，通過實驗我們選取較為合適。

初級避障態的閾值涉及到機器人是否會進入避障狀態，所以這個閾值不能能夠太大，閾值太大則會讓機器人太過于敏感，同時也要考慮到會影響到，如果閾值太小會讓圓弧軌跡半徑變小，進而導致拐彎速度上升影響精度。所以這里取一個中間值，初級避障距離閾值。

沿墻態需要與初級避障態進行對接，還需要考慮機身會在沒有完全平行（偏向墻壁一側）但接近平行于墻壁的狀態下進入沿墻態，所以要略大于，假設這個值為310mm，另外要考慮機器人的半徑，最終經過實驗我們找到了一個效果較好得閾值。

實驗結果表明，機器人能夠平滑的地避開非墻面的障礙物，機器人可以平緩地貼近墻面行走，在機器人進入緊急避障態時可以緊急避障，在不同狀態間可以自主轉換?？傮w來看，基于激光傳感器的三態避障法實用可行，具有實時性強，魯棒性好的特點。