基于多傳感器融合的自動洗地機器人避障研究

楊建峰 楊麗英 劉珍娜

摘 要：本文就應(yīng)用于城市清潔的自動洗地機器人展開研究，設(shè)計一種多傳感器融合的避障系統(tǒng)。選用合適傳感器，并在機器人上進行合理布局；分析清潔區(qū)域環(huán)境，以得出合理高效的避障策略。

關(guān)鍵詞：環(huán)境感知；多傳感器融合；避障策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.138

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，人們對城市清潔提出越來越高的要求，應(yīng)用自動化的清潔設(shè)備已是越來越普遍。自動洗地清潔機器人處于不同的環(huán)境情況下，會遇到不同的障礙物布局等，因此自然要求清潔機器人就有不一樣的反應(yīng)。在自動洗地清潔機器人無人操作值守的情況下，清潔機器人就必須實現(xiàn)運行的自主性，依靠各傳感器自動的躲避清潔空間中的各種障礙，從而完成清潔任務(wù)[1]。

1 環(huán)境感知

時刻感知環(huán)境變化是清潔機器人必須具有的一種能力，而傳感器在清潔機器人的感知系統(tǒng)中扮演著不可或缺的重要角色，這些傳感器通過清潔機器人相關(guān)接口與外部環(huán)境進行連接，以獲取外部環(huán)境信息[2]。清潔機器人對采集的外部環(huán)境信息，通過某種適當?shù)姆椒ǎ瑢鞲衅鳙@取的環(huán)境信息進行綜合處理，從而感知環(huán)境變化控制清潔機器人做出相關(guān)的動作。

2 多傳感器融合系統(tǒng)

多傳感器信息融合如同人腦對信息的綜合處理過程，依據(jù)多傳感器資源并將各傳感器獲取的信息進行合理的分配使用。隨后把各傳感器的互補及多余信息按照一定準則優(yōu)化組合，進而獲得對當前區(qū)域環(huán)境的一致性描述與解釋。借助多傳感器的協(xié)同配合，以提升整個傳感器系統(tǒng)的準確性及有效性[3]。

3 傳感器選取

洗地清潔機器人處于復(fù)雜環(huán)境中，運行環(huán)境很不穩(wěn)定并且也不能預(yù)知障礙物的種類。選用機器人內(nèi)部傳感器編碼器及電子羅盤來實現(xiàn)自動洗地清潔機器人在工作環(huán)境中的的定位與導(dǎo)航。對于較大障礙物的躲避與測距選用長距離探測能力較強的超聲波傳感器，用于收集機器人周圍障礙物的距離信息，比較不同方位處傳感器測得的距離信息來判斷障礙物的方位夾角。選用近距離避障靈敏度較高的紅外傳感器輔助超聲波做相應(yīng)的避障工作。通過超聲波傳感器與紅外傳感器配合，時時對周圍環(huán)境進行監(jiān)測，依據(jù)距離及方位信息選擇恰當避障策略并做出對應(yīng)動作。

4 避障策略分析

依據(jù)環(huán)境障礙物的分類，設(shè)計洗地清潔機器人的避障動作：直接避障、等待避障、緊急剎車避障、防跌落避障。

（1）直接避障。自動洗地機器人在運動過程中，當發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時，判斷障礙物的狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)是靜態(tài)障礙物，那么機器人根據(jù)既定的避障策略改變運動方向，從而避免碰撞的發(fā)生。

本文采取超聲波傳感器與紅外傳感器結(jié)合的方式，采集運動過程中前方、左右兩邊的障礙物距離信息及方位信息。在傳感器確定障礙物的分布后，做出對應(yīng)的避障動作。假設(shè)機器人前方存在障礙物，那么機器人根據(jù)清掃方位，選擇左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)動作；在機器人的前方及右側(cè)都存在障礙物時，機器人則左轉(zhuǎn)以避開障礙，最后再回到原清掃方向；同理對于前方及左側(cè)都有障礙物時，機器人右轉(zhuǎn)避開障礙，最后再回到原清掃方向。

（2）等待避障。等待避障是針對運動環(huán)境中動態(tài)障礙物而言。對于動態(tài)障礙物的判斷，選擇二次檢測的方法。在機器人前進運動過程中對發(fā)現(xiàn)的障礙物進行兩次檢測，第一次發(fā)現(xiàn)障礙物時記錄距離信息，此后機器人繼續(xù)前行隨后再記錄第二次的距離信息。對二者的距離信息關(guān)系進行比較從而得出障礙物的狀態(tài)。假設(shè)第一次測得的障礙物距離信息為X1，此后機器人的運行距離為L，隨后第二次測得的障礙物信息為X2。那么：

若X1-X2=L ，則障礙物為靜態(tài)。

若X1-X2L，則障礙物為動態(tài)。

對于動態(tài)障礙物，采取等待避障策略。判斷為動態(tài)障礙物后，機器人進行等待，隨后每間隔兩秒鐘對障礙物進行檢測獲取距離信息，若距離在允許安全范圍之內(nèi)，則機器人繼續(xù)前行進行清潔工作。

（3）緊急剎車避障。對于突然出現(xiàn)的動態(tài)障礙物與未能及時檢測到的靜態(tài)障礙物，以及機器人與其發(fā)生碰撞時，此時機器人采取緊急剎車動作，停止前進從而避免造成損害。待動態(tài)障礙物消失后，機器人繼續(xù)清掃工作。若瀕臨的是靜態(tài)障礙物，那么機器人采取原路倒退，隨后再采取相應(yīng)轉(zhuǎn)向策略以避開障礙物。

（4）防跌落避障。對于清掃空間中的臺階等障礙容易使得機器人從清掃平面跌落下去，對于這種問題在車體底盤四角處安裝有紅外傳感器，用于檢測與地面之間的距離，當檢測到的距離大于設(shè)定值的時候，機器人控制器做出相應(yīng)指令使得機器人倒退，從而避免機器人跌落現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結(jié)束語

本文主要對自動洗地清潔機器人進行多傳感器融合避障研究。首先對工作環(huán)境進行分析，選擇出適宜的傳感器組成多傳感器系統(tǒng)應(yīng)用到自動洗地清潔機器人上，以實現(xiàn)在運動過程中能實時躲避障礙，并結(jié)合環(huán)境及障礙物位置分析了對應(yīng)的避障策略。

參考文獻：

[1]謝振南.多傳感器信息融合技術(shù)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]袁慶，朱毅.多傳感器信息融合在輪式機器人運動控制中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（02）：118.

[3]司興濤.多傳感器信息融合技術(shù)及其在移動機器人方面的應(yīng)用[D].淄博：山東理工大學(xué)，2009.

[4]陳奕君.基于多傳感器信息融合的機器人避障研究[D].大慶： 東北石油大學(xué)，2014.

基金項目：校級課題：課題名稱：基于多傳感器融合的位姿檢測系統(tǒng)。課題編號：2018KJ01。

作者簡介：楊建峰（1991-），男，山東泰安人，碩士，初級，研究方向：機電一體化技術(shù)及機器人控制應(yīng)用技術(shù)。