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      基于交叉探測的凹形障礙物識別方法研究

      2014-12-15 09:02:56劉福
      中國科技縱橫 2014年22期
      關(guān)鍵詞:機器人

      劉福

      【摘 要】 針對武裝機器人在未知環(huán)境下的避障規(guī)劃問題,利用雙超聲波傳感器對凹形障礙物進行探測識別和分析研究,并提出交叉探測的識別方法。該方法簡單有效,能較快對機器人面臨的凹形障礙物進行檢測并執(zhí)行相應(yīng)的規(guī)避動作,能夠?qū)崿F(xiàn)實時、穩(wěn)定地避障。

      【關(guān)鍵詞】 機器人 避障規(guī)劃 交叉探測

      1 引言

      在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下,武裝機器人不僅面臨著凸形障礙物的威脅,還時常會遇到壕溝、深坑等凹形障礙物。當(dāng)前對凸形障礙物和運動障礙物的研究較多,但對于凹形障礙物的研究比較少。本文重點利用超聲探測技術(shù)[1]對履帶式機器人識別和規(guī)避凹形障礙物進行探討和研究。

      2 基于交叉探測的凹形障礙物識別

      2.1 對障礙物的通過性分析

      對于凹形靜態(tài)障礙物的識別,要考慮的因素較多,下面以壕溝為例進行分析。本文僅僅從寬度方面對障礙物進行通過性分析,深度和坡度均考慮為理想條件。

      庫納(K Kilner)在研究了履帶式車輛的越溝性能后,得出:若車輛重心位于的一半距離,則車輛可越過的壕溝寬度為[2]:

      (1)

      式中,為履帶車前后輪中心的距離,、分別為前后輪的半徑。實際測量得到相關(guān)參數(shù):,,。代入經(jīng)驗公式(1),得到,即武裝機器人在理想情況下可順利通過壕溝的寬度為0.5831m。

      2.2 利用雙超聲傳感器進行交叉探測

      利用單個超聲波傳感器測量出壕溝的寬度是十分困難的。本文設(shè)計了一種基于雙超聲波傳感器交叉探測的辦法來進行測量,具體測量方法如圖1所示。

      在機器人車體的前側(cè)兩個不同探測角度分別安裝兩個超聲傳感器,形成兩條探測線:探測線1和探測線2。根據(jù)實際應(yīng)用測得,為固定值。當(dāng)和確定時,,,均可通過三角函數(shù)求得。定義為機器人的反應(yīng)距離。當(dāng)前方出現(xiàn)壕溝時,的測量值會首先發(fā)生躍變,探測線2由延長至。當(dāng)探測線1出現(xiàn)大的躍變,由變?yōu)闀r,開始計算前方凹形障礙物的寬度值。探測線1進入溝內(nèi)時,需要分情況進行討論。

      (1)探測線2已到溝外。這種情況下壕溝寬度肯定小于,又,所以存在

      (2)

      為了增加安全性,可將測量的寬度值考慮得大一點,因此可認(rèn)為。若,可順利通過;若,則無法通過壕溝。

      (2)探測線2仍在溝內(nèi)。這種情況下壕溝的寬度至少為,可認(rèn)為,通過比較和就可初步判斷能否通過壕溝。下面計算的值。

      (3)

      (4)

      因為,所以

      (5)

      當(dāng)時,機器人可繼續(xù)前進,將代入,得

      (6)

      同理,當(dāng)時,機器人需采取相應(yīng)的避障措施,此時

      (7)

      本文中取傳感器的安裝角度為例進行分析,代入式(7),得。即當(dāng)探測線1進入溝內(nèi)時,若探測線2的測量值大于0.94m,則判定機器人無法通過前面的凹形障礙物,必須采取避障措施。

      2.3 算法流程

      該方法簡單實用,為機器人檢測和規(guī)避凹形障礙物提供了新的思路。具體的算法流程可描述為:

      Step1:機器人實時采集探測線1和探測線2的測距值;

      Step2:若探測線2的測距值大于安全設(shè)定值,則機器人減速前進;

      Step3:判斷探測線1的測距值是否大于安全設(shè)定值,若No,返回Step2,若Yes,則利用交叉探測法計算凹形障礙物的寬度值w;

      Step4:若w大于機器人的最大可通過寬度,則停止前進避開障礙物;反之,繼續(xù)前進,越障通過。

      3 結(jié)語

      針對戰(zhàn)場環(huán)境下的未知性,本文創(chuàng)造性地對凹形障礙物進行了深入的分析研究,提出基于雙超聲傳感器的交叉探測方法。該識別方法在野外戰(zhàn)場環(huán)境下是行之有效的,機器人對于前進方向上的凹形障礙物能夠正確識別,并能自動執(zhí)行相應(yīng)的動作進行跨越或避開,為機器人避障研究提供了新思路。

      參考文獻:

      [1]倪磊,曾慶化,莊瞳,劉建業(yè).依靠自身傳感器的室內(nèi)無人機自主導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)綜述[J].計算機應(yīng)用與軟件,2012,29(8):160-163.

      [2]張克健.車輛地面力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

      【摘 要】 針對武裝機器人在未知環(huán)境下的避障規(guī)劃問題,利用雙超聲波傳感器對凹形障礙物進行探測識別和分析研究,并提出交叉探測的識別方法。該方法簡單有效,能較快對機器人面臨的凹形障礙物進行檢測并執(zhí)行相應(yīng)的規(guī)避動作,能夠?qū)崿F(xiàn)實時、穩(wěn)定地避障。

      【關(guān)鍵詞】 機器人 避障規(guī)劃 交叉探測

      1 引言

      在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下,武裝機器人不僅面臨著凸形障礙物的威脅,還時常會遇到壕溝、深坑等凹形障礙物。當(dāng)前對凸形障礙物和運動障礙物的研究較多,但對于凹形障礙物的研究比較少。本文重點利用超聲探測技術(shù)[1]對履帶式機器人識別和規(guī)避凹形障礙物進行探討和研究。

      2 基于交叉探測的凹形障礙物識別

      2.1 對障礙物的通過性分析

      對于凹形靜態(tài)障礙物的識別,要考慮的因素較多,下面以壕溝為例進行分析。本文僅僅從寬度方面對障礙物進行通過性分析,深度和坡度均考慮為理想條件。

      庫納(K Kilner)在研究了履帶式車輛的越溝性能后,得出:若車輛重心位于的一半距離,則車輛可越過的壕溝寬度為[2]:

      (1)

      式中,為履帶車前后輪中心的距離,、分別為前后輪的半徑。實際測量得到相關(guān)參數(shù):,,。代入經(jīng)驗公式(1),得到,即武裝機器人在理想情況下可順利通過壕溝的寬度為0.5831m。

      2.2 利用雙超聲傳感器進行交叉探測

      利用單個超聲波傳感器測量出壕溝的寬度是十分困難的。本文設(shè)計了一種基于雙超聲波傳感器交叉探測的辦法來進行測量,具體測量方法如圖1所示。

      在機器人車體的前側(cè)兩個不同探測角度分別安裝兩個超聲傳感器,形成兩條探測線:探測線1和探測線2。根據(jù)實際應(yīng)用測得,為固定值。當(dāng)和確定時,,,均可通過三角函數(shù)求得。定義為機器人的反應(yīng)距離。當(dāng)前方出現(xiàn)壕溝時,的測量值會首先發(fā)生躍變,探測線2由延長至。當(dāng)探測線1出現(xiàn)大的躍變,由變?yōu)闀r,開始計算前方凹形障礙物的寬度值。探測線1進入溝內(nèi)時,需要分情況進行討論。

      (1)探測線2已到溝外。這種情況下壕溝寬度肯定小于,又,所以存在

      (2)

      為了增加安全性,可將測量的寬度值考慮得大一點,因此可認(rèn)為。若,可順利通過;若,則無法通過壕溝。

      (2)探測線2仍在溝內(nèi)。這種情況下壕溝的寬度至少為,可認(rèn)為,通過比較和就可初步判斷能否通過壕溝。下面計算的值。

      (3)

      (4)

      因為,所以

      (5)

      當(dāng)時,機器人可繼續(xù)前進,將代入,得

      (6)

      同理,當(dāng)時,機器人需采取相應(yīng)的避障措施,此時

      (7)

      本文中取傳感器的安裝角度為例進行分析,代入式(7),得。即當(dāng)探測線1進入溝內(nèi)時,若探測線2的測量值大于0.94m,則判定機器人無法通過前面的凹形障礙物,必須采取避障措施。

      2.3 算法流程

      該方法簡單實用,為機器人檢測和規(guī)避凹形障礙物提供了新的思路。具體的算法流程可描述為:

      Step1:機器人實時采集探測線1和探測線2的測距值;

      Step2:若探測線2的測距值大于安全設(shè)定值,則機器人減速前進;

      Step3:判斷探測線1的測距值是否大于安全設(shè)定值,若No,返回Step2,若Yes,則利用交叉探測法計算凹形障礙物的寬度值w;

      Step4:若w大于機器人的最大可通過寬度,則停止前進避開障礙物;反之,繼續(xù)前進,越障通過。

      3 結(jié)語

      針對戰(zhàn)場環(huán)境下的未知性,本文創(chuàng)造性地對凹形障礙物進行了深入的分析研究,提出基于雙超聲傳感器的交叉探測方法。該識別方法在野外戰(zhàn)場環(huán)境下是行之有效的,機器人對于前進方向上的凹形障礙物能夠正確識別,并能自動執(zhí)行相應(yīng)的動作進行跨越或避開,為機器人避障研究提供了新思路。

      參考文獻:

      [1]倪磊,曾慶化,莊瞳,劉建業(yè).依靠自身傳感器的室內(nèi)無人機自主導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)綜述[J].計算機應(yīng)用與軟件,2012,29(8):160-163.

      [2]張克健.車輛地面力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

      【摘 要】 針對武裝機器人在未知環(huán)境下的避障規(guī)劃問題,利用雙超聲波傳感器對凹形障礙物進行探測識別和分析研究,并提出交叉探測的識別方法。該方法簡單有效,能較快對機器人面臨的凹形障礙物進行檢測并執(zhí)行相應(yīng)的規(guī)避動作,能夠?qū)崿F(xiàn)實時、穩(wěn)定地避障。

      【關(guān)鍵詞】 機器人 避障規(guī)劃 交叉探測

      1 引言

      在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下,武裝機器人不僅面臨著凸形障礙物的威脅,還時常會遇到壕溝、深坑等凹形障礙物。當(dāng)前對凸形障礙物和運動障礙物的研究較多,但對于凹形障礙物的研究比較少。本文重點利用超聲探測技術(shù)[1]對履帶式機器人識別和規(guī)避凹形障礙物進行探討和研究。

      2 基于交叉探測的凹形障礙物識別

      2.1 對障礙物的通過性分析

      對于凹形靜態(tài)障礙物的識別,要考慮的因素較多,下面以壕溝為例進行分析。本文僅僅從寬度方面對障礙物進行通過性分析,深度和坡度均考慮為理想條件。

      庫納(K Kilner)在研究了履帶式車輛的越溝性能后,得出:若車輛重心位于的一半距離,則車輛可越過的壕溝寬度為[2]:

      (1)

      式中,為履帶車前后輪中心的距離,、分別為前后輪的半徑。實際測量得到相關(guān)參數(shù):,,。代入經(jīng)驗公式(1),得到,即武裝機器人在理想情況下可順利通過壕溝的寬度為0.5831m。

      2.2 利用雙超聲傳感器進行交叉探測

      利用單個超聲波傳感器測量出壕溝的寬度是十分困難的。本文設(shè)計了一種基于雙超聲波傳感器交叉探測的辦法來進行測量,具體測量方法如圖1所示。

      在機器人車體的前側(cè)兩個不同探測角度分別安裝兩個超聲傳感器,形成兩條探測線:探測線1和探測線2。根據(jù)實際應(yīng)用測得,為固定值。當(dāng)和確定時,,,均可通過三角函數(shù)求得。定義為機器人的反應(yīng)距離。當(dāng)前方出現(xiàn)壕溝時,的測量值會首先發(fā)生躍變,探測線2由延長至。當(dāng)探測線1出現(xiàn)大的躍變,由變?yōu)闀r,開始計算前方凹形障礙物的寬度值。探測線1進入溝內(nèi)時,需要分情況進行討論。

      (1)探測線2已到溝外。這種情況下壕溝寬度肯定小于,又,所以存在

      (2)

      為了增加安全性,可將測量的寬度值考慮得大一點,因此可認(rèn)為。若,可順利通過;若,則無法通過壕溝。

      (2)探測線2仍在溝內(nèi)。這種情況下壕溝的寬度至少為,可認(rèn)為,通過比較和就可初步判斷能否通過壕溝。下面計算的值。

      (3)

      (4)

      因為,所以

      (5)

      當(dāng)時,機器人可繼續(xù)前進,將代入,得

      (6)

      同理,當(dāng)時,機器人需采取相應(yīng)的避障措施,此時

      (7)

      本文中取傳感器的安裝角度為例進行分析,代入式(7),得。即當(dāng)探測線1進入溝內(nèi)時,若探測線2的測量值大于0.94m,則判定機器人無法通過前面的凹形障礙物,必須采取避障措施。

      2.3 算法流程

      該方法簡單實用,為機器人檢測和規(guī)避凹形障礙物提供了新的思路。具體的算法流程可描述為:

      Step1:機器人實時采集探測線1和探測線2的測距值;

      Step2:若探測線2的測距值大于安全設(shè)定值,則機器人減速前進;

      Step3:判斷探測線1的測距值是否大于安全設(shè)定值,若No,返回Step2,若Yes,則利用交叉探測法計算凹形障礙物的寬度值w;

      Step4:若w大于機器人的最大可通過寬度,則停止前進避開障礙物;反之,繼續(xù)前進,越障通過。

      3 結(jié)語

      針對戰(zhàn)場環(huán)境下的未知性,本文創(chuàng)造性地對凹形障礙物進行了深入的分析研究,提出基于雙超聲傳感器的交叉探測方法。該識別方法在野外戰(zhàn)場環(huán)境下是行之有效的,機器人對于前進方向上的凹形障礙物能夠正確識別,并能自動執(zhí)行相應(yīng)的動作進行跨越或避開,為機器人避障研究提供了新思路。

      參考文獻:

      [1]倪磊,曾慶化,莊瞳,劉建業(yè).依靠自身傳感器的室內(nèi)無人機自主導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)綜述[J].計算機應(yīng)用與軟件,2012,29(8):160-163.

      [2]張克健.車輛地面力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

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