CN101666649B

CN101666649B - 一种非360°探测机器人的定目标导航方法

Info

Publication number: CN101666649B
Application number: CN2009101924472A
Authority: CN
Inventors: 罗锡文; 赵祚喜; 张智刚; 周志艳; 赵汝祺; 吴晓鹏
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2029-09-17
Also published as: CN101666649A

Abstract

本发明公开了一种非360°探测机器人的定目标导航方法，通过机器人定位系统得到任意时刻机器人的位置；根据机器人上的测距传感器的测量数据，分析机器人前方特定区域内障碍物的有无和分布情况以及路径历史情况；根据不同的障碍物分布信息，机器人选择纯直线或纯转向行走两种方式，即正对目标点直线前进模式和遇到障碍物时绕行障碍物边缘行走模式，实现在障碍物分布未知环境中定目标点无碰撞导航。本发明不要求机器人具有360°障碍探测范围，考虑了机器人的实际尺寸，且对未知环境中障碍物没有任何限制(如其边缘形状等)，适用范围广。

Description

一种非360°探测机器人的定目标导航方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种非360°探测机器人(探测范围在≥180°～＜360°)的定目标导航方法。

背景技术

机器人在未知环境中避开障碍物到达指定目的地通常采用Bug及其衍生算法，它们要求机器人具有360°障碍检测范围的能力、假设机器人无物理尺寸、而且机器人能贴着障碍物边缘绕行，是对具有360°障碍检测范围的能力且无物理尺寸机器人避障导航的一种理论指导算法。Bug类算法的核心是机器人具有贴着障碍物边缘绕行的能力，包括接触点、分离点的确定，绕行的实现等。目前，Bug类算法实现在未知环境中绕行障碍物边缘到达指定目的地的方法主要有如下几种：(1)机器人跟踪墙壁的方法，即控制机器人在移动过程中与墙面保持恒定距离，这种方法虽然不要求机器人具有360°探测范围，但不适用于障碍物边缘轮廓突变等复杂情况。(2)基于瞬时目标(Instant Goal)方法，即在每个采样点均根据测距传感器信息建立一个瞬时目标点，机器人跟踪这一系列瞬时目标点最终实现定点导航，但是这种方法要求机器人具有360°障碍检测范围且能区分遇到的障碍物边缘是属于新的障碍物或已遇障碍物。(3)分目标(Subgoal)方法，该方法假定障碍物都是多边形，在这些多边形的定点周围建立分目标点，通过这些分目标点实现无碰撞定目标导航，但是这种方法要求障碍物的形状必需为几何多边形，而通常情况下难以满足此要求，因而限制了其应用。还有的研究使用机械结构让测距传感器运动来扩大探测范围(例如让声纳传感器旋转来提升扫描范围)，缺点是要求机械装置精度高，由于空间或者成本限制，该方法并不是经济可行的。

现有方法均不适用于非360°检测范围(即探测范围在≥180°～＜360°)且具有物理尺寸的机器人，所以研究此类机器人在未知环境下定目标点导航的控制方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种精度高、定位准确、可以在未知环境下定目标点避障导航的非360°探测机器人的定目标导航方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种非360°探测机器人的定目标导航方法，包括下述步骤：(1)通过机器人定位系统得到任意时刻机器人的位置；(2)根据机器人上的测距传感器(探测范围在≥180°～＜360°)的测量数据，分析机器人前方特定区域内障碍物的有无和分布情况以及路径历史情况；(3)根据不同的障碍物分布信息，机器人选择纯直线或纯转向行走两种方式，即正对目标点直线前进模式和遇到障碍物时绕行障碍物边缘行走模式，实现在障碍物分布未知环境中定目标点无碰撞导航。

步骤1中，所述机器人定位系统为现有常用的定位系统，由GPS、车轮编码器(Odometry)或者惯性定位传感器组成，用于实时测定机器人当前位置。

步骤2中，所述测距传感器的探测范围在≥180°～＜360°，可以采用探测范围为180°的单个测距仪(如LMS-200型激光测距仪)，也可以采用由多个测距传感器(如声纳传感器)组成的探测范围为180的半环形测距传感器组。

步骤2中，本发明将所述机器人前方特定区域定义为“机器人虚拟触角”。机器人虚拟触角是指相对于机器人车体定义的特定形状的区域，它们位于车载测距传感器探测范围内。机器人虚拟触角的作用是利用测距传感器输入的实时环境信息数据，判断是否有障碍物位于这些区域，若无，则表示该触角未探测到障碍物；若有，则找出障碍物上最接近机器人的位置，从而实现类似动物触角的功能。机器人虚拟触角可快速利用测距传感器的大量实时数据，而且还具有记忆功能，能记住任意一段纯直线行走过程中已无碰撞行走的距离。

机器人虚拟触角的具体设计如下：

本发明中将机器人模型简化为圆形，其直径为机器人物理直径(圆形机器人)或平面轮廓等效圆直径(非圆形机器人)，用符号R_rob表示其半径。共设计了三类共五个虚拟触角，如附图1所示。分别是位于前方的两个半圆环形触角Dsc_s与Dsc_b(半径分别为R_s、R_b，其中R_s＜R_b，)，左右两侧的狭长矩形触角Bar_l与Bar_r(长为R_b，宽为b)，以及位于前方中间位置由矩形(2R_s×a，其中a＝R_max-R_s)和半圆形(半径R_s)组成的宽面积型触角Rng。图中R_max为测距传感器的最大探测距离。半径Rrob可以是实际表示圆形机器人的半径或非圆形机器人对角线长度的一半。Rmax表示机器人传感器探测范围极限。Rs、Rb组成了施密特触发器的上下限。当机器人遇到障碍物时，在障碍物距离机器人小于等于Rb时，机器人认为检测到障碍物。但是障碍物距离机器人距离小于等于Rb大于Rs时，此时机器人仍未停止动作向障碍物靠近。直到障碍物距离小于等于Rs，机器人停止动作。而当机器人离开障碍物动作时，当机器人在距离小于等于Rb大于Rs范围内，机器人仍然认为没有离开障碍物，而当机器人距离障碍物大于Rb时，认为机器人离开了障碍物。这样就形成了一个施密特触发器的过程。这样机器人不会由于单一的边界条件而在边界周围震荡，增加稳定性。其中Rrob＜Rs＜Rb＜Rmax。

机器人依靠上述定义的三类共五个虚拟触角探测周围未知环境，在每一次采样周期，每个触角都刷新各自对应区域障碍物信息，以作为机器人导航行走决策的依据。其中环形触角Dsc_s与Dsc_b用于障碍物边缘绕行过程中避开转向的实现，R_s＜R_b的设计使避开转向时按施密特触发器设计以提高稳定性；左右两侧的狭长矩形触角Bar_l与Bar_r用于机器人每次直线行走时记录无障碍行走距离d，以用于障碍物边缘绕行过程中接近转向的实现；位于前方中间位置的Rng触角用于检测当前位置下传感器探测范围内可以无障碍物直线行走的距离F。若机器人对准目标点T直线前进时，当T出现在F可及的范围，则机器人可以持续直线行走到达T。

步骤3中，所述根据不同的障碍物分布信息，机器人选择纯直线或纯转向行走两种方式，具体操作方案如下：

为了表述方便，定义如下符号：

机器人的出发点为S，目标点的位置为T，当前位置值为X。其中S、T已知，X由定位系统测量得到；

d(X，T)表示X至T的距离；

d表示任一段直线行走过程中已无碰撞走过的距离，它由机器人两侧条形虚拟触角Bar_l与Bar_r检测得到，开始直线行走或两侧条形触角检测到障碍物时均将d清零；

d_min(T)表示自上次相遇点之后机器人在绕行障碍物边缘过程中机器人至T的最小距离，为全局变量，经计算比较得到；

用F表示方向上在传感器探测范围内可无障碍物自由行走的距离，F由虚拟触角Rng测得；

θ表示本次纯转向动作已经转过的角度；

用相遇点H表示机器人朝向目标点直线行走过程中碰到障碍物的点，用脱离点L表示机器人绕行障碍物边缘的结束点，L’表示机器人上一次脱离点；

step为预先给定的一个阈值，表示每次绕行边沿结束时机器人至少要更靠近T的程度。

机器人在每一采样周期开始时根据当前测距传感器信息对上述相关参数进行计算刷新，接着进行相关决策。本发明基于较短路径来定义“相遇点”与“脱离点”，它们决定两种行走模式的分界点。

“相遇点”是机器人朝向目标点直线行走过程中碰到障碍物的点，机器人由这一点开始绕行障碍物边缘。

“脱离点”是绕行障碍物边缘的结束点，其确定方法(即脱离条件)如下：

(1)在接近转向与避开转向过程中，如果机器人对准了目标且①目标出现在探测范围内，即d(X，T)-F≤0；或②d(X，T)-F≤d_min(T)-step这两个条件之一成立时，机器人所处的位置为脱离点；

(2)当机器人与线段HT相交(这里H为上一次相遇点)且正在跟踪的障碍物在XT线段之外，则机器人所处的位置为脱离点。

首先通过定位系统得到机器人的出发点、目标点的位置以及出发点和目标点的方向值。机器人从出发点开始沿着出发点和目标点的方向，首先进行纯直线行走，倘若没有遇到障碍物，机器人一直沿着直线到达目标点。当机器人遇到障碍物后，机器人开始绕行障碍物边缘的转向行走，当脱离条件成立时，机器人结束上次障碍物边缘绕行后再开始直线行走。机器人在行走过程中一直判断是否遇到障碍物，遇到障碍物后绕行的相遇点和脱离点的条件然后执行相应的动作，直到机器人到达目标点。

1、机器人的纯直线行走，分为对准目标点的纯直线行走和绕行障碍物边缘过程中的纯直线行走两种方式：

(1)机器人使用虚拟触角Rng测量当前可以自由行走的距离，对准目标点T进行纯直线行走，直到到达目标点T后停止(任务结束)。或者当虚拟触角Rng测量到障碍物，当障碍物出现在触角Dsc_s与Dsc_b范围内时，机器人确定与障碍物相遇(接着开始绕行障碍物边缘)时，停止直线行走；具体包括从出发点S开始的初始直线行走，也包括结束上次障碍物边缘绕行后开始的对准目标点T的直线行走。

(2)机器人绕行障碍物边缘过程中的纯直线行走：障碍物边缘绕行按分段直线实现。当机器人脱离了障碍物，开始瞄准目标的转向动作，转向动作完成后，机器人开始纯直线行走，此时机器人在障碍物周围，所以它的纯直线行走是一个个小分段。分段直线由机器人的转向位置和转向角确定，在此分段直线行走过程中，触角Dscs与Dscb一直在测量障碍物的位置，确定相遇点和脱离点，以及确定转向动作(见2纯转向行走)；这些分段直线行走时，如果机器人位于上一次脱离点与上一次相遇点之间的连线上，表明机器人已绕障碍物一整圈，说明机器人不可能到达目标点T，则机器人停止行走；当机器人走到本次相遇点与目标点间的线段(与线段HT相交)时，则机器人停止纯直线行走，进行对准转向，对准目标点T然后再直线行走(即对准目标点的纯直线行走方式)。

2、机器人的转向行走，分为三种：接近转向，即使机器人靠近障碍物边缘；避开转向，即使机器人远离障碍物；对准转向，即使机器人对准目标点：

(1)接近转向：其目的是绕行过程中接近被绕行的障碍物。接近转向的开始条件是：由触角Dsc_b测得机器人无障碍地直线行走距离d小于R_b时，就要停下来进行接近转向。接近转向的结束条件是满足以下两个条件之一：即转动过程中对准了目标点T而且该点处满足脱离条件；或者本次已转动角度θ达到设定的阈值Y(根据机器人虚拟触角设置来定，取为固定值)。

转向方向是一个全局变量，从本次绕行开始点H至结束点L保持不变，即在H点根据障碍物在机器人左侧还是右侧(由障碍物最接近机器人的点决定)确定本次绕行中保持障碍物在机器人左侧还是右侧，如在左侧则所有接近转向均为逆时针方向，反之为顺时针转向。

阈值γ的选取是假设要实现绕行具有90°直角边缘的障碍物时，根据需要最少接近转向的次数来决定，比如，如果希望最少2次的接近转向，可将阈值γ定为45°；如果希望最少3次的接近转向，可将阈值γ定为30°。

(2)避开转向：其目的是边缘绕行过程中为远离障碍物而实施的纯转动避障动作。避开转向的开始条件是：当绕行障碍物边缘的直线段行走时遇到障碍物边缘时，即当内半环形触角Dsc_s探测到障碍物时，就开始避开转向。

避开转向的结束条件是满足以下两个结束条件之一：其一是机器人对准目标点T且该点满足脱离条件；其二是外半圆环触角Dsc_b检测不到障碍物，或者转角θ已达180°但Dsc_b仍然检测到有障碍物存在。第一种结束条件满足则停止转向，开始正对目标点前进的直线行走模式。第二种结束条件中，当机器人外半圆环触角Dsc_b检测不到障碍物，就可以结束避开转向，这时由于在虚拟触角设计上保证了Dsc_s＜Dsc_b，因而可利用施密特触发器特性提高避开转向时的稳定性；当转角θ已达180°而Dscb仍然检测到有障碍物存在时，因为这时机器人于此位置已知道360°环境信息，则根据虚拟转动(即软件搜索)看能否找到使Dscb探不到障碍物的角度位置，如可以则按原转动方向继续转至该位置结束本次避开转向，否则继续转动无意义，就此结束本次避开转向。

(3)对准转向：是指在初始出发点S、障碍物边缘绕行脱离点L、当机器人走到本次相遇点与目标点间的线段时对准目标点T执行的转向动作，转动方向按最小转角原则来确定。此外，在执行接近转向及避开转向过程中，若机器人对准了目标点T且满足脱离条件，机器人就会在该点脱离障碍物边缘，此时没有额外的对准转向动作，保证其动作的自然性。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

(1)本发明不要求机器人具有360°障碍探测范围，考虑了机器人的实际尺寸，且对未知环境中障碍物没有任何限制(如其边缘形状等)，适用范围广。

(2)本发明无需对机器人进行机械上或电路硬件的改动，减少了成本。

(3)本发明引入虚拟触角的概念，在实际测量过程中，仅需快速利用测距传感器的大量实时数据(因仅对特定区域的数据进行分析)实现导航决策。

(4)与Bug类算法抽象地要求机器人具有绕行障碍物边沿相比，本方法提出了具体的绕行障碍物边沿的实现方法，机器人行走时动作自然，可以在前进过程中同时确定前进方向，无需停下来旋转搜索周围环境。

附图说明

附图1为机器人模型与虚拟触角设计示意图。

附图2为机器人绕行轮廓为直线的障碍物边缘示意图。

附图3为机器人绕行复杂障碍物边缘时纯直线行走方式示意图。

附图4为机器人绕行薄板(障碍物)边缘轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

下述实施例采用的机器人为美国ActivMedia公司的Pioneer-3AT，测量角度是180°的移动机器人。非360°机器人的定目标导航控制过程如下：

1、机器人朝着目标点T直线前进，直到下面情形之一出现：

1.1到达目标点T；则停止前进，导航结束。

1.2碰到障碍物，转2。

2、机器人绕行障碍物边缘行走，直到下面情形之一出现：

2.1机器人已绕行障碍物一整圈，仍不可由当前位置X直接朝着目标直线前进，说明目标点T不可到达；则停止前进，导航结束。

2.2机器人可由当前位置X直接朝着目标直线前进，转1。

以下以伪代码形式进一步说明上述过程2中绕行障碍物边沿的控制过程：

(1)进入障碍物边缘绕行模式：执行避开转向，绕行方向由触角Dsc_b确定的最靠近机器人的障碍物上的点的位置决定，即若该点在左边则顺时针绕向，反之逆时针绕向。

(2)直线行走直到下列情形之一出现：

(2.1)目标出现在探测范围内，即d(X，T)-F≤0，此时直到到达T之后停止；

(2.2)X位于线段L′H上，表示机器人已绕障碍物一整圈，说明T不能到达，此时停止；

(2.3)X与线段XT相交。此时执行对准转向，之后转至(4)；

(2.4)触角Dscs探到障碍物，此时停止直线行走并执行如下动作：

{开始接近转向

while((Dscs仍探到障碍物)&&(θ＜180°)&&(机器人未对准T))等待；

if(机器人对准障碍物)

{检查离开条件(即前述“脱离点”条件)；

if(可离开)转到步骤(4)

}

else if(((θ≥180°但Dsc_s仍探到障碍物))

转动直到Dsc_b探不到障碍物；

停止瞄准目标转向；

}

(2.5)Dsc_s未探到障碍物且d≥R_b：停止直线行走，之后

{开始执行避开转向；

while((θ！＝Y)&&(机器人未对准T))等待；

if(机器人对准T){检查离开条件(即前述“脱离点”条件)；

if(可离开)转(4)

}

停止避开转向；

}

(3)开始直线行走，转到步骤(2)；

(4)退出障碍物绕行模式。至此机器人可开始按直线朝着目标T前进的动作方式。

实施例1

图2为机器人绕行轮廓为直线的障碍物边缘的示意图。机器人从位置X’朝着目标纯直线前进，至O点处碰到障碍物(由虚拟触角Dsc_s探测到)停下来并开始避开转向，直至虚拟触角Dscb检测不到障碍物，转角为β，β是有开避开转向动作到结束避开转向动作时机器人转过的角度。接着开始直线行走。直线行走过程中由触角Barl或Barr检测该段行程d，直到d大于Rb的某个值，即图中位置D。接着开始接近转向，转角γ取为固定值，本设计中取γ＝2β，这样在D点处TURN-IN结束后直线行走至E(此时重复上述O点处开始的动作)，线段OD＝DE。在机器人按照轨迹ODEF绕行该障碍物边缘时，绕行过程轨迹将产生齿形波动，波动幅度与圆盘形触角半径差(R_b-R_s)有关，差越小则波动越小，但差值小将削弱施密特回差，导致稳定性下降。

实施例2

图3为机器人绕行复杂障碍物边缘纯直线行走的示意图。机器人按绕行障碍物边缘模式下的纯直线行走方式时，矩形触角Bar_l与Bar_r记录该段距离d(d_l与d_r)，当d值大于R_b时按纯直线行走方式结束。为保证随机障碍物情况动作稳定，每当矩形触角Bar_l与Bar_r探测到障碍物时，该d值即被清零。换句话说，d表示纯直线行走方式无障碍行走距离，当它大于一定值(D_th)时纯直线行走方式才结束。图3中机器人在位置X’处d被清零，若障碍物A₁存在，则d在离开A₁时才不被清零，这样可有效保证在纯直线行走方式结束时机器人不会太靠近障碍物，导致下一次纯直线行走距离太短而使纯转动过于频繁。

实施例3

图4为机器人绕行薄板(障碍物)边缘轨迹的示意图。障碍物为一块薄板，要求机器人尽快转过180°才能绕过该障碍物边缘。图中直线行走方式中无障碍行走距离阈值D_th取为R_b，即直线行走方式于半圆环形触角Dsc_b与x轴交点(如图中A点)处结束。本实施例确定的机器人绕行轨迹为点划线OABCDEFGHIJK。从图中可容易看出每次转动是属于接近转向或者瞄准目标转向还是避开转向。每次接近转向转过角度为γ，则在180°范围内至少要转180/γ次，实际绕行过程可能还存在TURN-OUT，则纯转动次数高于180/γ次。

Claims

1.一种非360°探测机器人的定目标导航方法，是首先通过机器人定位系统得到任意时刻机器人的位置；然后实时测量障碍物环境信息；再选择纯直线或纯转向行走方式；其特征在于：在实时测量障碍物环境信息时，是根据机器人上的测距传感器的测量数据，分析机器人前方特定区域内障碍物的有无和分布情况以及路径历史情况，是在机器人前方特定区域即测距传感器的探测范围内设置五个“虚拟触角”来探测周围环境障碍物分布特征，分别是位于前方的两个半圆环形触角Dsc_s与Dsc_b、左右两侧的狭长矩形触角Bar_l与Bar_r、以及位于前方中间位置由矩形和半圆形组成的宽面积型触角Rng。

2.根据权利要求1所述的非360°探测机器人的定目标导航方法，其特征在于：所述机器人定位系统由GPS、车轮编码器或者惯性定位传感器组成。

3.根据权利要求1所述的非360°探测机器人的定目标导航方法，其特征在于：所述虚拟触角是机器人导航行走决策的依据：所述半圆环形触角Dsc_s与Dsc_b用于障碍物边缘绕行过程中避开转向的实现；所述左右两侧的狭长矩形触角Bar_l与Bar_r用于机器人每次直线行走时记录无障碍行走距离；所述位于前方中间位置的Rng触角用于检测当前位置下传感器探测范围内可以无障碍物直线行走的距离。

4.根据权利要求1所述的非360°探测机器人的定目标导航方法，其特征在于：所述选择纯直线或纯转向行走方式，是机器人根据不同的障碍物分布信息，选择正对目标点直线前进模式和遇到障碍物时绕行障碍物边缘行走模式，实现在障碍物分布未知环境中定目标点无碰撞导航，具体是首先通过定位系统得到机器人的出发点、目标点的位置以及出发点和目标点的方向值；机器人从出发点开始沿着出发点和目标点的方向，先进行纯直线行走，倘若没有遇到障碍物，机器人一直沿着直线到达目标点；当机器人遇到障碍物后，机器人开始绕行障碍物边缘的转向行走，当脱离条件成立时，机器人结束上次障碍物边缘绕行后再开始直线行走；机器人在行走过程中一直判断是否遇到障碍物，遇到障碍物后绕行的相遇点和脱离点的条件然后执行相应的动作，直到机器人到达目标点。

5.根据权利要求4所述的非360°探测机器人的定目标导航方法，其特征在于：所述相遇点是机器人朝向目标点直线行走过程中碰到障碍物的点，机器人由这一点开始绕行障碍物边缘；所述脱离点是绕行障碍物边缘的结束点。

6.根据权利要求1所述的非360°探测机器人的定目标导航方法，其特征在于：所述纯直线行走，分为对准目标点的纯直线行走和绕行障碍物边缘过程中的纯直线行走两种方式：

(1)机器人使用虚拟触角Rng测量当前可以自由行走的距离，对准目标点进行纯直线行走，直到到达目标点后停止；或者当虚拟触角Rng测量到障碍物，当障碍物出现在触角Dsc_s与Dsc_b范围内时，机器人确定与障碍物相遇时，停止直线行走；

(2)机器人绕行障碍物边缘过程中的纯直线行走：障碍物边缘绕行按分段直线实现，分段直线由机器人的转向位置和转向角确定，在此分段直线行走过程中，触角Dsc_s与Dsc_b一直在测量障碍物的位置，确定相遇点和脱离点，以及确定转向动作：如果机器人位于上一次脱离点与上一次相遇点之间的连线上，表明机器人已绕障碍物一整圈，说明机器人不可能到达目标点，则机器人停止行走；当机器人走到本次相遇点与目标点间的线段时，则机器人停止纯直线行走，进行对准转向，对准目标点然后再直线行走。

7.根据权利要求1所述的非360°探测机器人的定目标导航方法，其特征在于：所述转向行走，分为三种：接近转向，即使机器人靠近障碍物边缘；避开转向，即使机器人远离障碍物；对准转向，即使机器人对准目标点：

(1)接近转向：接近转向的开始条件是：由触角Dsc_b测得机器人无障碍地直线行走距离d小于R_b时，就要停下来进行接近转向，所述R_b为半圆环形触角Dsc_b的半径长度；接近转向的结束条件是满足以下两个条件之一：即转动过程中对准了目标点而且该点处满足脱离条件；或者本次已转动角度达到设定的阈值；

(2)避开转向：避开转向的开始条件是：当绕行障碍物边缘的直线段行走时遇到障碍物边缘时，即当内半环形触角Dsc_s探测到障碍物时，就开始避开转向；避开转向的结束条件是满足以下两个结束条件之一：其一是机器人对准目标点T，该点满足脱离条件；其二是外半圆环触角Dsc_b检测不到障碍物，或者转角θ已达180°但Dsc_b仍然检测到有障碍物存在；

(3)对准转向：是指在初始出发点、障碍物边缘绕行脱离点、当机器人走到本次相遇点与目标点间的线段时对准目标点执行的转向动作，转动方向按最小转角原则来确定。