基于激光与声纳传感器的机器人避障方法研究

胡玉龙+王金祥

摘 要：基于激光与声纳传感器的机器人避障方法首先通过对声纳传感器和激光传感器获取的信息融合检测出工作环境中的障碍物信息，然后使用回溯算法，排除干扰项并路径规划找到最为合适的行进路线，避开障碍物，使移动机器人可以继续行进。实验结果表明，本避障方法能实时、准确地检测并规避障碍物，避障效果较好。

关键词：信息融合；移动机器人；路径规划；规避障碍物

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.137

1 研究的现状及意义

移动机器人的研究问题是新世纪以来科学研究领域的热门话题。机器人的研究和发展已经成为了衡量高新科技发展水平的重要标志。不论是抗震救灾中对受难人群的搜寻，还是对复杂未知特殊环境的探索，机器人技术的应用已经与之密不可分。尤其是机器人避障技术的研究已经成为当今科技发展的重中之重。

基于激光与声纳传感器的机器人避障方法，通过声纳传感器短距离对所属环境进行检测，可以检测出体积较大的障碍物，通过激光传感器可以非常精确、快速地获取长距离环境内的障碍物的距离信息。但是，声纳传感器发射的超声波在长距离检测中常出现能量衰减问题和易受到镜面漫反射的影响，激光传感器发射的激光在遇到不同的障碍物时反射效果不同，从而影响测量的准确性。两者结合使用，显著提高了机器人对障碍物的检测能力和判断能力，从而保障了机器人对路径的规划及选择的精确度，有效的提高了机器人的复杂环境的自适应能力和自调节能力。

2 障碍物检测

2.1 声纳定位障碍物

在空气中传播时，超声波具有很强方向性，能量也易于集中。声纳定位障碍物一般都是通过声波测距实现的。声纳传感器发出声波信号，当声波信号遇到障碍物时会反射回来，通过采集反射时间可以计算出障碍物的位置。

假设声纳传感器在第一时刻发出声波信号，其在空气中以每秒340米的速度传播，在第二时刻接收到反射波，这两个时刻的时间差与速度的积的一半就可以确定出机器人与障碍物的距离。

2.2 激光定位障碍物

本实验采用的是三维激光传感器，可以实现正向180度范围内激光测距。其检测原理与上述声纳传感器相同。

假设激光传感器可以检测的半径为r，在时刻发出一束激光。激光的传播速度为，则等待接收反射激光的时间为：=2r/c。此等待时间为理想状态下的接收时间。当实际接收时间大于+k时（k为允许内的误差阈值），则视为超过了检测范围；若实际接收时间小于-k时，则视为检测到障碍物，并计算出与障碍物距离为（。

由机器人与障碍物的距离S已经激光扫描角度w可以计算出障碍物所处的方位，通過X = S * ，由此可推断出障碍物位于机器人正前方X米偏左w度（偏右，具体角度取决于w的大小）。

3 自主避障算法

移动机器人的避障问题是新世纪以来科学研究领域的热门话题。本实验根据实际情况将机器人的自主避障划分为实时地图绘制和路径规划。

3.1 障碍物的检测

当机器人向前行驶时，声呐传感器和激光传感器同时工作。当声纳传感器检测出前方、左前方或右前方任何一个方向有障碍物时，此时应该结合激光传感器的检测结果；若二者检测的结果都符合障碍物的特征，则在机器人视野中标记出障碍物的坐标。若二者检测的结果不相符时则暂时放弃此次检测信息，多次检测到信息一致时确定并记录障碍物的距离与方位信息，然后机器人根据路径选择策略，选择正确的路径继续行进。

3.2 路径规划算法

机器人的路径规划问题是当今社会科研的热门话题。随着科技发展的日渐迥异，路径规划算法不断更新改进。以往的路径规划问题就是在有障碍物干扰的工作环境中，按照相应的衡量标准（最短响应时间，最短距离等）找到一条从当前位置到达目的终点的运动路线。

本实验采用回溯算法作为机器人选择路径的依据。具体流程如下：

①判断前方坐标是否为-1（表示没有通路的点），是，则执行⑥，否则，执行②；

②判断是否出现障碍物，若出现，则执行③，否则，执行⑦；

③判断正前方是否有障碍物出现，是，则执行④，否则，调整机器人的方向，执行⑥；

④判断左前方是否有障碍物出现，是，则执行⑤，否则，调整机器人的方向，执行⑥；

⑤判断右前方是否有障碍物出现，是，则执行⑥，否则，调整机器人的方向，执行⑦；

⑥记录该位置的坐标，并将标记设置为-1，后退一步，执行①；

⑦将该坐标点设置为1，继续前进。

该算法具有简单明确的算法结构，可以准确快速地找到合适的路线，所需等待的响应时间短，大大提高了机器人的运行效率。在实际运行中，可以快速准确地找到合适的避障方案，有效的提高了机器人的复杂环境的自适应能力和自调节能力。

4 实验总结及分析

实验情况下，除了在传感器正好卡在两个等距障碍物且两个障碍物与传感器的距离都在需要紧急避障范围内这种特殊情况下机器人会原地摇摆无作为，时间稍长便会适当退后，其他情况下均能实现预期效果，不是墙面的障碍物能平滑躲过，墙面基本能平缓贴近沿着走，若突然一个活动障碍物出现在机器人的紧急避障范围内，机器人会急停并原地转向，若周围没有活动障碍物，机器人基本不会进入紧急避障，总体来看，依据此避障算法可以实现机器人的实时避障，效果较好。实验结果表明，基于激光与声纳传感器的机器人避障方法具有很强的鲁棒性和实用性，该算法可以很好的检测出障碍物，并且在很短的响应时间内找到最为合适的路径，机器人可以避开障碍物行进。

作者简介：胡玉龙（1996-），男，湖北襄阳人，本科。endprint