基于激光傳感器的機(jī)器人目標(biāo)跟蹤方法研究

廖若峰

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，給人類的生活帶來(lái)了許多便利。如今關(guān)于機(jī)器人的控制研究也越來(lái)越多，使用的控制技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)。在機(jī)器人工作過(guò)程中，需要模擬人體對(duì)外界環(huán)境信息進(jìn)行獲取，然后對(duì)這些信息進(jìn)行處理并執(zhí)行相應(yīng)的指令。激光傳感器能夠在機(jī)器人捕捉信息中發(fā)揮更大的作用，本文將對(duì)基于激光傳感器的機(jī)器人目標(biāo)跟蹤方法進(jìn)行說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：激光傳感器；機(jī)器人；目標(biāo)跟蹤方法

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）30-0332-01

近些年對(duì)機(jī)器人的研究力度不斷加大，如今已經(jīng)有很多機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，給工作和生活帶來(lái)了極大的改變。移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)在一些人工智能、工業(yè)自動(dòng)化控制中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。機(jī)器人需要將運(yùn)動(dòng)控制、環(huán)境感知等多方面因素實(shí)現(xiàn)精確控制，才能夠完成預(yù)期目標(biāo)，因此已經(jīng)有越來(lái)越多的科研工作者投入到對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制以及環(huán)境感知這些功能研究中。

1 激光傳感器目標(biāo)定位方法

在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人空間位置的實(shí)時(shí)定位。其中激光傳感器就是一種比較先進(jìn)的目標(biāo)定位方式，在此種控制方法中，需要將一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的反光鏡進(jìn)行光線反射的控制，機(jī)器人是向前方發(fā)出激光的，將這個(gè)激光反射到前方不同的角度，就能夠通過(guò)這些信息得到該激光能夠覆蓋的弧形面積的二維平面信息。在此過(guò)程中，就需要將所發(fā)出去的激光使用激光傳感器進(jìn)行接收。因此激光在發(fā)出去之后經(jīng)過(guò)的路徑以及距離不同，因此在每一次激光發(fā)出與對(duì)應(yīng)的接收時(shí)間都是存在差異的，根據(jù)激光在該介質(zhì)中傳輸?shù)乃俾示涂梢杂?jì)算出激光經(jīng)過(guò)的目標(biāo)和機(jī)器人之間的實(shí)際距離，并且還可以通過(guò)對(duì)激光反射角度來(lái)對(duì)該物體與機(jī)器人之間的位置分布進(jìn)行計(jì)算。在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤中，需要使用跟蹤算法。在本文的研究中，將距離機(jī)器人最近的目標(biāo)作為實(shí)驗(yàn)跟蹤目標(biāo)。

2 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤方法

2.1 三種跟蹤策略

目前在機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)，有三種跟蹤策略，每種策略都具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。第一種跟蹤策略就是直線跟蹤策略，需要機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中先加速，然后勻速行駛，最后再減速，精確到達(dá)目的地。這種運(yùn)動(dòng)方式中，機(jī)器人的速度突變比較小，承擔(dān)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的主要部件——電機(jī)和齒輪就能夠受到更小的沖擊力，減小對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的傷害，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑跟蹤。第二種跟蹤策略就是旋轉(zhuǎn)跟蹤策略，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)，就需要讓機(jī)器人左右兩邊的運(yùn)動(dòng)輪產(chǎn)生不一定的驅(qū)動(dòng)力，因此就需要使用兩個(gè)不同的電機(jī)，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不同設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)左右輪速度的控制。一般來(lái)說(shuō)，如果左輪的速度大于右輪，那么機(jī)器人會(huì)向右邊偏轉(zhuǎn)，通過(guò)對(duì)左右輪速度的差值控制實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)跟蹤的精確控制。在這種控制策略中由于涉及到兩個(gè)電機(jī)同時(shí)控制，因此加大了控制難度。第三種就是基于柵格的目標(biāo)跟蹤策略，這種控制策略不僅僅需要面對(duì)直線運(yùn)動(dòng)以及圓形軌跡，還需要面對(duì)任意方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的目標(biāo)。需要機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)和自身的位置以及方位的計(jì)算以及更新，以此來(lái)通過(guò)算法計(jì)算跟蹤運(yùn)動(dòng)路徑。在使用柵格法時(shí)，通過(guò)機(jī)器人實(shí)時(shí)對(duì)前方發(fā)送激光，然后通過(guò)對(duì)反射回來(lái)的激光信號(hào)進(jìn)行分析，將一片輻射狀的二維平面信息呈現(xiàn)出來(lái)。使用柵格法就是將這個(gè)二維平面信息進(jìn)行劃分，然后按照劃分的柵格區(qū)域設(shè)計(jì)跟蹤方案。

2.2 算法控制描述

在使用激光傳感器進(jìn)行控制時(shí)，首先就應(yīng)當(dāng)對(duì)目標(biāo)和機(jī)器人之間的距離和方位進(jìn)行計(jì)算，然后將這兩個(gè)信息和提前劃分好的區(qū)域之間進(jìn)行對(duì)比分析，以此來(lái)對(duì)目標(biāo)的實(shí)際位置進(jìn)行控制。最后就是通過(guò)控制算法得到機(jī)器人左輪和右輪的速度給定，并且通過(guò)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。采用“基速度+速度差”跟蹤策略。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的線速度是和左輪和右輪的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，并且左輪和右輪的速度差值需要精確設(shè)定，該差值就構(gòu)成了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)角速度。在實(shí)際控制過(guò)程中，當(dāng)判定目標(biāo)和機(jī)器人之間的距離比較大，就應(yīng)當(dāng)要適當(dāng)增大線速度。假如目標(biāo)和機(jī)器人正前方之間的夾角比較大時(shí)，就應(yīng)當(dāng)要增加左輪和右輪之間的速度差，使得角速度增加，這樣就能夠更快接近目標(biāo)?！盎俣?速度差”跟蹤策略指的是以機(jī)器人的其中一個(gè)輪子的速度為基速度，假如以左輪為基速度，那么在選擇右輪的速度給定時(shí)，可以將右輪的速度設(shè)定為左輪速度+速度差，因此在實(shí)際控制過(guò)程中更加便捷。在確定基速度時(shí)，需要按照激光傳感器得到的距離和方位角信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，距離信息和控制速度實(shí)現(xiàn)正比例計(jì)算，然后以此作為基速度確定的來(lái)源，然后按照方位信息和控制角信號(hào)推算速度差。一般來(lái)說(shuō)，需要設(shè)置一個(gè)安全距離，當(dāng)機(jī)器人和目標(biāo)之間的距離在安全距離之內(nèi)時(shí)，就應(yīng)當(dāng)要減速，避免出現(xiàn)機(jī)器人和目標(biāo)之間的碰撞而損壞機(jī)器人構(gòu)件的情況。假如在安全距離之外時(shí)，應(yīng)當(dāng)要對(duì)方位角進(jìn)行判斷，當(dāng)方位角小于80°時(shí)，設(shè)置為右轉(zhuǎn)，也就是需要將機(jī)器人右輪的速度設(shè)置為基速度，通過(guò)“基速度+速度差”跟蹤策略來(lái)確定機(jī)器人左輪的速度。但是如果判斷方位角大于100°時(shí)，基速度就變成了左輪的速度，并且相應(yīng)的確定右輪的速度。假如方位角在80～100°之間，機(jī)器人需要向前直行。

3 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前對(duì)機(jī)器人控制研究越來(lái)越多，也取得了許多進(jìn)展。其中基于激光傳感器的機(jī)器人目標(biāo)跟蹤控制就是十分先進(jìn)的控制方式，對(duì)目標(biāo)和機(jī)器人之間的距離和位置角的計(jì)算，使用柵格法進(jìn)行區(qū)域劃分，計(jì)算出相應(yīng)的控制線速度和角速度。使用“基速度+速度差”跟蹤策略是一個(gè)具有許多優(yōu)勢(shì)的方式，能夠使得線速度和角速度的變化更加平滑，避免速度突變對(duì)電機(jī)和齒輪造成過(guò)大的負(fù)擔(dān)，引起結(jié)構(gòu)損壞。

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收稿日期：2018-9-10