移動(dòng)機(jī)器人傳感器與導(dǎo)航控制分析

陳玉

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北省武漢市 430212）

具有智能化的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)屬于一種綜合性技術(shù)，其不但涉及傳感器技術(shù)、導(dǎo)航控制技術(shù)，同時(shí)也涉及到電力工程技術(shù)和計(jì)算機(jī)工程技術(shù)等。另外，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究不但能夠?yàn)槿藗兩睢⑸a(chǎn)帶來(lái)更多便利，同時(shí)也能夠?yàn)橥苿?dòng)我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展提供一定保障。

1 移動(dòng)機(jī)器人

本文所研究的移動(dòng)機(jī)器人，在該移動(dòng)機(jī)器人的差動(dòng)底盤設(shè)有視覺(jué)傳感器，以此為進(jìn)行地圖重建與導(dǎo)航控制提供保障。

1.1 輪子模型

本文所研究的移動(dòng)機(jī)器人輪子模型主要是圍繞Z 軸旋轉(zhuǎn)，在左右轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，只會(huì)對(duì)該輪車的姿態(tài)產(chǎn)生影響；在前后行走的過(guò)程中，只會(huì)對(duì)該輪車的位置產(chǎn)生影響。因此，在對(duì)移動(dòng)機(jī)器人輪子模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可將底座輪車的差動(dòng)模型轉(zhuǎn)化為T 矩陣?yán)@Z 軸旋轉(zhuǎn)的模型。

1.1.1 雙輪差動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制

對(duì)于采用雙輪差動(dòng)方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人而言，其左輪和右輪的速度可分別設(shè)置為vl和vr，將車體寬度設(shè)置為d，其運(yùn)動(dòng)軌跡的圓半徑設(shè)置為r，當(dāng)vl≤vr時(shí)，因左右輪差速所形成的運(yùn)動(dòng)軌跡表示如下：

（1）如果將左輪作為質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，那么可得到vl=ωl×(r-d/2)；

（2）如果將右輪作為質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，那么可得到vr=ωr×(r+d/2)；

（3）在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)樽笥逸喍荚谝苿?dòng)機(jī)器人的機(jī)體上，所以運(yùn)動(dòng)的角速度是一樣的，也就是ω1=ωr，最終得到v=(vl+vr)/2。

通過(guò)上述分析，最終得到r=(vl+vr)/(vr+vl)×d/2。也就表示。當(dāng)vl>vr時(shí)，情況與此相同：

當(dāng)r 無(wú)限趨近于正負(fù)無(wú)窮時(shí)，車能夠呈直線運(yùn)用；當(dāng)r=0 時(shí)，則車在原地旋轉(zhuǎn)；當(dāng)r>0 時(shí)，車向左側(cè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)r<0 時(shí)，車向右側(cè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

該公式主要可用于對(duì)移動(dòng)機(jī)器人在理想狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)的軌跡進(jìn)行估算。不過(guò)需要注意，因?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，還會(huì)受到摩擦力的影響，加之可能存在裝配方面的誤差，所以會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的軌跡與估算存在偏差，因此也就需要相關(guān)研究人員能夠結(jié)合實(shí)際，在充分考慮到溫度、濕度、移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)量等因素后，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的快速輪速進(jìn)行有效調(diào)整，而不一定要于理論的處的輪速完全相同。

1.1.2 機(jī)器人位置

在對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航控制進(jìn)行探究的過(guò)程中，研究人員會(huì)將移動(dòng)機(jī)器人的本體看成一個(gè)剛體，也就表示其姿態(tài)能夠通過(guò)轉(zhuǎn)換正交旋轉(zhuǎn)矩陣實(shí)現(xiàn)：

通過(guò)該矩陣，能夠?qū)⒁苿?dòng)機(jī)器人在全局參考框架中的運(yùn)動(dòng)映射到局部參考框架上。另外，在進(jìn)行這個(gè)運(yùn)算的過(guò)程中，較為依賴θ的值：

1.2 前向運(yùn)動(dòng)學(xué)

當(dāng)能夠確定中心處在兩輪之間的一個(gè)P 點(diǎn)時(shí)，可設(shè)各輪子之間的距離為l，輪子的直徑為r，同時(shí)也能夠確定θ 和各輪轉(zhuǎn)速ψ 的值。最終，依據(jù)前向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全局參考框架中移動(dòng)機(jī)器人總速度的預(yù)測(cè)目標(biāo)：

2 移動(dòng)機(jī)器人傳感器

人類對(duì)外界信息的感知主要依靠眼、耳、口、鼻等感知器官，通過(guò)接收到的信息對(duì)外界建模，從中找到想要的信息。移動(dòng)機(jī)器人對(duì)外界的感知同人相似，只不過(guò)他們的感知器官是傳感器，操作人員通過(guò)控制執(zhí)行器與傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的操控，使其能夠如同人類一樣活動(dòng)、工作。

關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的傳感器，主要表現(xiàn)如下：

2.1 激光雷達(dá)

在進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人研制過(guò)程中，光學(xué)探測(cè)器因其特有的高靈敏度等到廣泛應(yīng)用，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單個(gè)光子的有效測(cè)量。

通常而言，不管是從功率方面還是體積方面，使用光子計(jì)數(shù)接收器都能夠促使傳感器和通信系統(tǒng)的光學(xué)應(yīng)用更具效率。在實(shí)際應(yīng)用中，這些接收器需要更小的空間、時(shí)間以及光譜濾波器，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)不必要背景噪聲或雜波的降低目標(biāo)。另外，通過(guò)激光照明的有源傳感器，還可利用激光發(fā)射器的狹窄空間、時(shí)間以及光譜特征實(shí)現(xiàn)對(duì)接收濾波器的有效調(diào)整，進(jìn)而確保其靈敏度和信號(hào)效率得到增強(qiáng)。而且對(duì)于高分辨率三維空間成而言，其屬于移動(dòng)機(jī)器人研制中的重要應(yīng)用技術(shù)。

利用機(jī)載或星載微波雷達(dá)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地面車輛的探測(cè)、跟蹤以及成像目標(biāo)，但是如果有遮蔽物，比如樹冠、樹葉等，就可能導(dǎo)致雷達(dá)的性能降低。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，雖然長(zhǎng)波長(zhǎng)微波雷達(dá)能夠?qū)⒄趽跷锎┩?，但是卻導(dǎo)致成像分辨率降低。經(jīng)過(guò)研究人員的不斷研制，高分辨率三維成像激光雷達(dá)應(yīng)時(shí)而生，該技術(shù)不但能夠穿透遮擋物，對(duì)于軍用地面車輛都可進(jìn)行有效識(shí)別。

基于此，本文在進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人傳感器研究中，對(duì)該種三維成像技術(shù)進(jìn)行了充分利用，包括機(jī)器人視覺(jué)、制造質(zhì)量控制等方面的應(yīng)用。

2.2 視覺(jué)相機(jī)

在將機(jī)器人準(zhǔn)確導(dǎo)航到特定位置及方向時(shí)，視覺(jué)伺服起到了關(guān)鍵性作用。通過(guò)對(duì)以往技術(shù)進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，自校準(zhǔn)技術(shù)只是對(duì)靜態(tài)字校準(zhǔn)情況的充分考慮，而在此狀態(tài)下的內(nèi)部參數(shù)不適用于對(duì)機(jī)器人的控制。

關(guān)于視覺(jué)應(yīng)用，其主要目的是識(shí)別以及跟蹤具有獨(dú)特視覺(jué)特性或標(biāo)志的對(duì)象。在對(duì)相機(jī)放置時(shí)，可通過(guò)模擬方法對(duì)任何特定相機(jī)放置的性能，進(jìn)行有效測(cè)量，并在迭代網(wǎng)格線性編程基礎(chǔ)上獲取最高效的放置方法。同時(shí)，對(duì)于跟蹤隱私保護(hù)視覺(jué)監(jiān)控網(wǎng)格，應(yīng)采用特定彩色標(biāo)簽，同時(shí)在多個(gè)相機(jī)之間使用極限幾何，實(shí)現(xiàn)遮擋處理，以此創(chuàng)建識(shí)別、跟蹤以及視覺(jué)混淆系統(tǒng)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)監(jiān)視視頻中的個(gè)人隱私進(jìn)行有效保護(hù)的目的。

另外，對(duì)于場(chǎng)景對(duì)象中的深度感知，其可被應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中的跟蹤或應(yīng)用視覺(jué)伺服。在此過(guò)程中，3D 飛行時(shí)間攝像機(jī)，可對(duì)范圍圖像進(jìn)行有效提供，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)，以此改善相關(guān)類型任務(wù)。

3 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制

3.1 移動(dòng)機(jī)器人建圖

在對(duì)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制進(jìn)行分析的過(guò)程中，首先需要對(duì)移動(dòng)機(jī)器人建圖進(jìn)行了解，環(huán)境地圖一般包含拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述地圖和幾何地圖兩種。

在進(jìn)行地圖創(chuàng)建的過(guò)程中，所使用的數(shù)學(xué)工具主要有三種，即簡(jiǎn)單基于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)的搜索、單線的三角公式計(jì)算，以及概率的表述和推理方法。

對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人地圖而言，主要是指其所在環(huán)境的模型，研究人員將建立移動(dòng)機(jī)器人地圖的過(guò)程稱為地圖構(gòu)建。而在地圖構(gòu)建中，較為常見(jiàn)的地圖類型有以下幾種：

3.1.1 尺度地圖

尺度地圖是較為常見(jiàn)的地圖類型，如圖1所示。在其中，位置用坐標(biāo)值表示，其屬于地圖基本形式。在對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航控制的過(guò)程中，大多數(shù)移動(dòng)機(jī)器人在進(jìn)行自我定位時(shí)所用的都是坐標(biāo)系。

圖1：尺度地圖

3.1.2 拓?fù)涞貓D

關(guān)于拓?fù)涞貓D，如圖2所示。以某地鐵線路拓?fù)涞貓D為例，其地圖尺度和大小與實(shí)際情況有很大差別，而地圖主要是為了將列車?？空疽约案髡军c(diǎn)之間的連接線路進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，研究人員將此類地圖定義為拓?fù)涞貓D。

圖2：拓?fù)涞貓D

在該地圖中，位置主要表示節(jié)點(diǎn)；各節(jié)點(diǎn)之間的鏈接表示為弧。該類地圖的特點(diǎn)并不是坐標(biāo)的精確，而是各節(jié)點(diǎn)之間的連接。如圖3所示，左右兩邊的拓?fù)涞貓D為等價(jià)關(guān)系，各節(jié)點(diǎn)之間的弧主要是為了表示這些節(jié)點(diǎn)之間的連接代價(jià)或是限制條件，這類地圖在軌跡規(guī)劃測(cè)驗(yàn)中經(jīng)常被用到。

圖3：等價(jià)拓?fù)鋱D

3.1.3 語(yǔ)義地圖

關(guān)于語(yǔ)義地圖，其在移動(dòng)機(jī)器人高層規(guī)劃，以及人機(jī)互動(dòng)中具有重要意義，主要是通過(guò)對(duì)物體之間的位置關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，確定其所在位置。

在進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人建圖的過(guò)程中，所存在的建圖難點(diǎn)主要有三點(diǎn)：

（1）在進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人地圖構(gòu)建的過(guò)程中，其本質(zhì)屬于感知問(wèn)題，也就是對(duì)傳感器獲取的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行確定。但是在對(duì)內(nèi)容進(jìn)行確定時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)一定的干擾問(wèn)題，比如傳感器獲取的信息會(huì)受到噪音影響，也就需要更可靠的估計(jì)算法；又如，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通常是在相對(duì)坐標(biāo)系下進(jìn)行的，但所需數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)化到絕對(duì)坐標(biāo)系中。

（2）在進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人地圖構(gòu)建的過(guò)程中，還需要涉及到其他機(jī)器人問(wèn)題，比如軌跡規(guī)劃的問(wèn)題；又如導(dǎo)航問(wèn)題。

（3）實(shí)際生活中的事物會(huì)在時(shí)間的推移下發(fā)生變化，從理論角度上看，移動(dòng)機(jī)器人的地圖構(gòu)建也應(yīng)該隨著現(xiàn)實(shí)世界的變化而發(fā)生改變，以此確?，F(xiàn)實(shí)能夠被準(zhǔn)確反映出來(lái)。

3.2 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航

通過(guò)激光SLAM 系統(tǒng)，可將地圖構(gòu)建過(guò)程中激光雷達(dá)掃描得到的信息以及里程計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為2D 柵格地圖。在此過(guò)程中，導(dǎo)航系統(tǒng)可利用該地圖中的各類數(shù)據(jù)，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的路徑進(jìn)行有效規(guī)劃和定位。待上述操作完成之后，可將其轉(zhuǎn)化為移動(dòng)機(jī)器人的速度指令。

將上述分析可知，移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)可被劃分為以下幾部分：

（1）數(shù)據(jù)收集層，也就是利用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集；

（2）全局規(guī)劃層；

（3）局部規(guī)劃層；

（4）行為層，也就是結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)以及上層指令，為其布置當(dāng)前行為指令；

（5）控制器層，其主要作用是與下位機(jī)進(jìn)行通信。

在對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行指定導(dǎo)航的過(guò)程中，其具體流程如下：

首先，操作人員啟動(dòng)了全局規(guī)劃層和局部規(guī)劃層兩個(gè)規(guī)劃器，以此進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，以及局部路徑規(guī)劃，并通過(guò)地圖規(guī)劃組建形成移動(dòng)機(jī)器人自身的代價(jià)地圖。

其次，通過(guò)局部規(guī)劃，對(duì)局部避障進(jìn)行有效規(guī)劃。在具體導(dǎo)航過(guò)程中，所依據(jù)的算法主要是Dynamic WindowsApproach。具體表現(xiàn)如下：

第一步，利用移動(dòng)底盤的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，獲取速度的采樣空間；

第二步，通過(guò)第一步得到的采用空間，對(duì)每個(gè)樣本的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算；

第三步，在得到期望速度后，即可插值成軌跡輸出。

最后，在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行的過(guò)程中，需要依據(jù)移動(dòng)機(jī)器人現(xiàn)有狀態(tài)，利用喚醒規(guī)劃器作出規(guī)劃，通過(guò)計(jì)算合法速度并發(fā)布，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的操作以及清理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，并得出移動(dòng)機(jī)器人的避障性能優(yōu)化比較依賴傳感器技術(shù)。另外，依據(jù)以往移動(dòng)機(jī)器人研制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出了依靠超聲波傳感器、多傳感器數(shù)據(jù)融合感知，以及根據(jù)速度反饋建立模糊規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)避障效果進(jìn)行有效優(yōu)化的先進(jìn)避障算法。最后，在全局環(huán)境未知的情況下，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航，以此觀察其對(duì)周圍環(huán)境的感知和接收情況，并據(jù)此對(duì)其導(dǎo)航控制功能進(jìn)行了優(yōu)化，為推動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人更好發(fā)展提供了相應(yīng)依據(jù)。