[doc] 一種動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中自主機(jī)器人的導(dǎo)航方法

1、一種動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中自主機(jī)器人的導(dǎo)航方法計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展journalofcomputerresearchanddevelopmentissnl000一l239/cnlll777/tp42(9):1538l543,2005一種動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中自主機(jī)器人的導(dǎo)航方法孟偉黃慶成韓學(xué)東洪炳镕(哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院哈爾濱150001)(mengw)amethodofautonomousrobotnavigationindynamicunknownenvironmentmengwei,huangqingcheng,hanxuedong,andhongbingrong(schoolofcomput

2、erscienceandtecbnoloky,harbininstituteoftechnology,harbin150001)abstractanautonomousnavigationmethodofrobotindynamicunknownenvironmentispresented.humansassistanceisusedinsteadofparticulardescriptionofmap.therearetwophasesinthismethod,whicharehumansguidingphaseandautonomousnavigationphase.inphaseofhu

3、mansguiding,aroughpolarcoordinatemapoflocalenvironmentisobtainedbymultisensorinformationfusionandthroughittheglobalmapisobtained.themethodofeliminatingsensordataerrorisalsogivenhere.accordingtomapobtainedinguidingphase,arobotmovesindynamicenvironmentinthephaseofautonomousnavigation.constraintconditi

4、onofrobotsmotioncontrolanddynamicobstacleavoidingmethodarealsopresented.robotcandisposeofemergentobstaclesinthismethod,andoptimizationofpathisalsoattained.experimentresultsshowtheeffectivenessofthismethod.keywordsautonomousrobot;sensorfusion;obstacleavoiding摘要提出一種動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中機(jī)器人自主導(dǎo)航方法,利用少量的人類輔助避免了繁瑣的地圖描述

5、.該方法分兩個(gè)階段:用戶引導(dǎo)階段和自主導(dǎo)航階段.在用戶引導(dǎo)階段,利用多種傳感器信息融合生成局部環(huán)境的粗略的極坐標(biāo)地圖,利用它可以得到全局地圖,還給出了消除傳感器數(shù)據(jù)誤差的方法;在自主導(dǎo)航階段,利用引導(dǎo)階段得到的地圖在動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)動(dòng),并給出了運(yùn)動(dòng)控制的約束條件以及動(dòng)態(tài)避障的方法.機(jī)器人利用該方法可以處理突發(fā)的障礙物,還能對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了其有效性.關(guān)鍵詞自主機(jī)器人;傳感器融合;避障中圖法分類號(hào)tp181引言近年來,自主導(dǎo)航已成為機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)問題.根據(jù)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的了解程度,可以分為兩種類型:環(huán)境信息完全已知的全局導(dǎo)航和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部導(dǎo)航.對(duì)于環(huán)境信息完

6、全已知的情況已經(jīng)有許多解決方法,例如可視頂點(diǎn)圖法和voronoi圖法等,但這些方法需要大量的計(jì)算時(shí)間來建立和搜索數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),因此不適用于存在運(yùn)動(dòng)障礙物的在線自主導(dǎo)航.為了獲得實(shí)時(shí)性能,khatib_l提出了一種基于勢(shì)場(chǎng)的方法,這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),因而受到了極大關(guān)注.然而,人工勢(shì)場(chǎng)法固有的缺點(diǎn)經(jīng)常導(dǎo)致規(guī)劃的失敗.對(duì)于環(huán)境信息完全未知的情況,由于無法得到整個(gè)環(huán)境的地圖,因此,主要采取了基于傳感器的導(dǎo)航方法,例如滾動(dòng)窗口法【,但該方法對(duì)障礙物的大小和形狀具有一定的限制.收稿日期:20040317;修回日期:20050314基金項(xiàng)目:國(guó)家”八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金項(xiàng)目(2001aa4222

7、70);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(69985002)孟偉等:一種動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中自主機(jī)器人的導(dǎo)航方法1539在實(shí)際應(yīng)用中,機(jī)器人的工作環(huán)境大多處于兩種極端情況之間的,即環(huán)境信息部分未知,環(huán)境的整體布局已知且環(huán)境中存在著不可預(yù)知的障礙物.本文主要研究在這種動(dòng)態(tài)環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航問題.針對(duì)部分未知環(huán)境中的導(dǎo)航問題,一些研究人員采用了路標(biāo)的方法.例如,maeyama等人l3j提出一種室外機(jī)器人導(dǎo)航的方法,用戶選擇特定物體作為路標(biāo)(如樹和灌木),但除了指定的路標(biāo)外機(jī)器人不能識(shí)別其他物體,而且地圖中只記錄路標(biāo)的信息,機(jī)器人只能沿路標(biāo)引導(dǎo)的路徑前進(jìn),無法處理突發(fā)事件.taylor等人l4提出了一種基于可

8、視路標(biāo)的邊界位置圖法,但是該方法對(duì)于路標(biāo)的設(shè)置限制條件較高.為了讓機(jī)器人得到一些關(guān)于環(huán)境的先驗(yàn)知識(shí),kidono等人j提出了一種通過人類引導(dǎo)的機(jī)器人導(dǎo)航方法,但僅利用了視覺信息,無法保證所產(chǎn)生地圖的準(zhǔn)確性,地圖一旦生成將不再改變,當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí),機(jī)器人無法躲避新出現(xiàn)的障礙物.matsumoto等人l6j提出利用引導(dǎo)過程中獲得的圖像序列進(jìn)行導(dǎo)航,但機(jī)器人必須按照引導(dǎo)的路徑前進(jìn),而且該方法很容易受到光照條件的影響.本文提出了一種未知環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方法,整個(gè)導(dǎo)航分為兩個(gè)階段:用戶引導(dǎo)階段和自主導(dǎo)航階段.在用戶引導(dǎo)階段,用戶引導(dǎo)機(jī)器人從起始位置到達(dá)目標(biāo)位置,在此過程中,機(jī)器人利用多種傳感器對(duì)

9、環(huán)境進(jìn)行探測(cè),并生成周圍環(huán)境的一個(gè)簡(jiǎn)單地圖,同時(shí)記錄行走路線.在自主導(dǎo)航階段,機(jī)器人根據(jù)引導(dǎo)階段獲得的路徑和地圖信息自主運(yùn)動(dòng).該導(dǎo)航方法利用人類的少量協(xié)助代替了繁瑣的地圖構(gòu)建工作,可以應(yīng)對(duì)不可預(yù)知的障礙,同時(shí)考慮了機(jī)器人的形狀對(duì)于避障效果的影響.2地圖的生成在環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的情況下,由操作人員為機(jī)器人生成環(huán)境地圖和指明路標(biāo)是非常繁瑣的,而僅靠機(jī)器人自身來生成地圖,則要對(duì)機(jī)器人的智能程度提出更高的要求.為此,本文在生成初始地圖時(shí),由操作人員引導(dǎo)機(jī)器人朝目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)過程中,機(jī)器人記錄走過的路徑,同時(shí)獲取周圍的環(huán)境信息,生成周圍環(huán)境的一個(gè)簡(jiǎn)單地圖,為自主導(dǎo)航階段提供參考.2.1環(huán)境信息的獲取與表

10、示本文中,機(jī)器人比較容易獲得障礙物的距離和角度信息,因而采用極坐標(biāo)地圖來表示環(huán)境信息.極坐標(biāo)地圖是以機(jī)器人為中心對(duì)當(dāng)前環(huán)境的描述,如圖1所示.在極坐標(biāo)地圖中,用數(shù)字i(=0,“)表示根據(jù)障礙物的分布劃分的區(qū)域,對(duì)于同一障礙物用同一數(shù)字表示,規(guī)定機(jī)器人正方向所在區(qū)域?yàn)?.若區(qū)域內(nèi)存在障礙物,則該區(qū)域標(biāo)記為丁,否則標(biāo)記為f.若多個(gè)障礙物重疊在一起,可以看做一個(gè)障礙物.定義五元組z表示機(jī)器人對(duì)于某個(gè)點(diǎn)的感知信息,z=(,.v,r,0),其中(,.y)為機(jī)器人的當(dāng)前位置;為機(jī)器人的當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角,為該點(diǎn)與機(jī)器人的距離;p為該點(diǎn)相對(duì)于機(jī)器人正方向的角度.20fig.1polarcoordinatesmap.

11、圖1極坐標(biāo)地圖在用戶引導(dǎo)階段,用戶通過遙控設(shè)備引導(dǎo)機(jī)器人從起點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn),在前進(jìn)的過程中,機(jī)器人通過ccd和聲納等傳感器感知環(huán)境,并生成地圖.在進(jìn)行信息融合前,需要對(duì)機(jī)器人的位置信息進(jìn)行估計(jì),由于里程計(jì)會(huì)導(dǎo)致誤差積累,所以僅憑里程計(jì)信息和航跡推算很難準(zhǔn)確地獲得機(jī)器人的位置信息,為此采用了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的非確定模型和再定位的方法來克服累計(jì)誤差.在引導(dǎo)過程中,機(jī)器人的各傳感器同時(shí)對(duì)環(huán)境進(jìn)行探測(cè),ccd攝像機(jī)可進(jìn)行俯仰或搖擺來觀察周圍環(huán)境,獲得物體的距離和角度信息.圍繞機(jī)器人的聲納采用基于柵格概率模型的方法來進(jìn)行環(huán)境信息探測(cè):=2/l”o”唧)./(1)在柵格模型中,利用貝葉斯模型來消除不確定性:p(s

12、(志+1)l2(志+1)=1540計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展2005,42(9)p(2(k十1)ls(k)p(s(k)l2(k)(k+1)1si(k)p(k)1(k)(2)2.2多傳感器信息融合為了保證所得數(shù)據(jù)的可靠性,首先利用分段校正法調(diào)整數(shù)據(jù),然后利用自適應(yīng)加權(quán)融合算法得到環(huán)境信息.設(shè)傳感器實(shí)際輸出為u實(shí)=f(),期望輸出為u校=k2.按照數(shù)據(jù)的分布密度情況,將f()劃分為段,當(dāng)段足夠大時(shí),每一小段可看做是直線.u實(shí)=u+k(),其中u為該段的初始值;k,為第段直線的斜率;相應(yīng)的校正直線方程為u校=(u一a)+k2().設(shè)第組傳感器在某點(diǎn)校正后的數(shù)據(jù)為dd2,d,則其算術(shù)平均值可表示為_fj=d(3

13、)可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)表示同一障礙物的現(xiàn)象,為了去除冗余信息,可利用下面的算法生成地圖.step1.將所有障礙點(diǎn)放入集合a,i:=0,:=0;step2.i:=i+1,當(dāng)前障礙集b,:=,取出a中的點(diǎn)p放入b,;step3.對(duì)于yp.b,若sp,a且lp一p.ik,將點(diǎn)p,放入b,;step4.若b不發(fā)生變化,則轉(zhuǎn)step5;否則,轉(zhuǎn)step3;step5.r=maxdis(p,p,f),計(jì)算b中心點(diǎn)p,南;step6.若a,轉(zhuǎn)step2;否則,轉(zhuǎn)step7;step7.j:=j+1,若bj=,結(jié)束;否則,轉(zhuǎn)step8;step8.在地圖中以0.表示障礙物,轉(zhuǎn)step7.該算法簡(jiǎn)單實(shí)用,若機(jī)器人在

14、環(huán)境中多次行走,可以得到更為精確的地圖.相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)誤差為=.in1薯(dp.(4)3蛀導(dǎo)航設(shè)此前結(jié)果的方差=o.,則()=0.根據(jù)分批估計(jì)理論,融合后的方差為+:(一)一-十h一-h一-:,(5)l)+2)其中,h=(11)為測(cè)量方程的系數(shù)矩陣,r為測(cè)量噪聲的協(xié)方差,且r=e1,1,=ee=0.1eu(i)u(2)e2)jl2)j(6)由分批估計(jì)導(dǎo)出的距離數(shù)據(jù)融合值d為d=(一)一d一十+hr一d=+hd.(7)將上述幾式相結(jié)合,可得到融合后的數(shù)據(jù)值為西+:11盯l)+2)1一01)一10_=_盯2)+希2.3障礙物位置信息的合成機(jī)器人對(duì)同一障礙物可能進(jìn)行多次探測(cè),因而通過用戶的引導(dǎo),機(jī)器人不

15、僅得到了環(huán)境的粗略地圖,還得到了一條到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的路徑(稱為引導(dǎo)路徑),并記錄了該路徑以及在各點(diǎn)觀測(cè)的環(huán)境的信息.根據(jù)得到的環(huán)境地圖,機(jī)器人可以規(guī)劃出一條路徑(稱為規(guī)劃路徑),若規(guī)劃路徑優(yōu)于引導(dǎo)路徑,則在自主導(dǎo)航階段將規(guī)劃路徑作為參考路徑,否則將引導(dǎo)路徑作為參考路徑.為了便于說明給出以下幾個(gè)概念.(1)保護(hù)區(qū)area:表示機(jī)器人周圍一個(gè)半徑為rpr0的范圍,rpru=rb0+r.ll.,r.b0為機(jī)器人的半徑,r.為避碰半徑.保護(hù)區(qū)內(nèi)的物體很容易與機(jī)器人發(fā)生碰撞.(2)探測(cè)區(qū)areadei:表示area.之外所有傳感器均能準(zhǔn)確探測(cè)的區(qū)域,半徑記為.(3)可視區(qū)areaview:表示atea之外部

16、分傳感器仍能探測(cè)到的區(qū)域,半徑記為r.(4)子目標(biāo)點(diǎn)subg:參考路徑上均勻分布的離散點(diǎn)為機(jī)器人期望的位置點(diǎn).機(jī)器人可以利用它知道正在跟蹤哪段路徑,在避開障礙物后應(yīng)返回哪里.由于機(jī)器人采用多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,各傳感器的性能不同,其準(zhǔn)確探測(cè)的范圍也不同,為了能充分地利用各種傳感器的性能,給出了3種區(qū)域:保護(hù)區(qū),探測(cè)區(qū)和可視區(qū),它們的半徑滿足r.<l,一dd.l孟偉等:一種動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中自主機(jī)器人的導(dǎo)航方法r<r,如圖1所示.保護(hù)區(qū)使得機(jī)器人不會(huì)與障礙物發(fā)生碰撞,探測(cè)區(qū)可以保證各個(gè)傳感器能夠比較準(zhǔn)確地探測(cè)到障礙物的信息,而對(duì)于可視區(qū)內(nèi)的障礙物,只有部分傳感器可以準(zhǔn)確地探測(cè)到,但這些

17、傳感器提供的信息可以使得機(jī)器人對(duì)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè),這樣可以提高導(dǎo)航的效率,導(dǎo)航一般是在探測(cè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行的.探測(cè)區(qū)與可視區(qū)的半徑要綜合考慮各個(gè)傳感器的精確探測(cè)范圍和最大探測(cè)范圍以及機(jī)器人自身的因素.3.1運(yùn)動(dòng)約束機(jī)器人在自主導(dǎo)航的過程中,機(jī)器人可以按照參考路徑向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),并進(jìn)行路徑的優(yōu)化.在運(yùn)動(dòng)中,機(jī)器人除了要繞開已知障礙,還要能避免與突現(xiàn)的障礙物發(fā)生碰撞,同時(shí)以盡可能短的路徑到達(dá)目標(biāo)點(diǎn).因此,機(jī)器人既要安全地在各個(gè)障礙物之間穿行,還要保持運(yùn)動(dòng)速度和平穩(wěn)性,需要進(jìn)行一定的限制條件,這里采用約束函數(shù)l8j對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的5個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià),分別是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,目標(biāo)吸引性,安全性,不無限擴(kuò)散性和快速運(yùn)動(dòng)性.3

18、.2動(dòng)態(tài)避障在引導(dǎo)階段,機(jī)器人得到了到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的參考路徑,然而,由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間是動(dòng)態(tài)變化的,所以引導(dǎo)路徑上隨時(shí)可能出現(xiàn)障礙物或其他意外情況,因此,機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有動(dòng)態(tài)避障的能力.為了減少不必要的繞行,這里障礙物指在局部路徑或機(jī)器人期望運(yùn)動(dòng)方向上距離較近的物體.若在探測(cè)區(qū)內(nèi)路徑上當(dāng)前子目標(biāo)點(diǎn)subg一.沒有被障礙物隱藏,但其前面相鄰的子目標(biāo)點(diǎn)subg一.被障礙物隱藏,則物體處于該路徑上.為簡(jiǎn)單起見,本文利用可視邊緣到達(dá)路徑的距離來作為參考.避障過程中機(jī)器人需要記住當(dāng)前障礙物,以免丟失目標(biāo)或者無休止的繞行,當(dāng)繞過或移開當(dāng)前障礙物后避障即可結(jié)束.fig.2exampleofreferencepo

19、int.圖2參考點(diǎn)示例避障的過程中可設(shè)置參考點(diǎn)來引導(dǎo)機(jī)器人.為了提高可靠性,可選擇同一障礙物上的多個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn).參考點(diǎn)方向是相對(duì)較好的可能路徑的一個(gè)方向.參考點(diǎn)p是如下確定的:設(shè)機(jī)器人的當(dāng)前位置為r,機(jī)器人正方向與障礙物的外邊緣切線角度為a0,切點(diǎn)為a.以ar的中心點(diǎn)為圓心,ar為直徑做圓0l,以a為圓心,dp=rr【)l1.+d為半徑做圓02,0l與02交于p點(diǎn),pr與機(jī)器人正方向形成的方向角為a,若a>a,則點(diǎn)p為所求參考點(diǎn)(如圖2所示).因?yàn)闄C(jī)器人的探測(cè)范圍大,因而可以很早發(fā)現(xiàn)障礙,并得到其邊緣信息,利用參考點(diǎn)繞過障礙,而無需走近障礙物后再沿其邊緣繞過障礙.3.3速度計(jì)算及行為優(yōu)

20、化由于環(huán)境中障礙物的存在以及機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)速度,需要不斷地調(diào)整機(jī)器人的線速度.在保護(hù)區(qū)內(nèi)若存在障礙物,則機(jī)器人很可能與之發(fā)生碰撞,機(jī)器人應(yīng)當(dāng)停止運(yùn)動(dòng).假定保護(hù)區(qū)內(nèi)有,z個(gè)障礙物,障礙物0與機(jī)器人的距離為,一,則機(jī)器人的線速度可通過下式得到:va=(v一v.)堡r.一r.b.t+v.(9)機(jī)器人的線速度v,為v(i=1,)的最小值,若存在障礙物距離機(jī)器人小于,則機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng).機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中,并非只是沿著參考路徑前進(jìn).除了可以躲避障礙物,還可以對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化.機(jī)器人既可以保證能夠到達(dá)終點(diǎn),而且還可以縮短運(yùn)動(dòng)的距離和時(shí)間,提高效率.4實(shí)驗(yàn)與分析為了驗(yàn)證本文所提導(dǎo)航方法的有效性,在輪式移動(dòng)機(jī)器人上

21、進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).利用聲納和ccd攝像機(jī)獲取環(huán)境信息.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,機(jī)器人通過多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)融合可以獲得較為準(zhǔn)確的環(huán)境信息,與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差較小,可以作為導(dǎo)航的依據(jù).實(shí)驗(yàn)1.機(jī)器人定點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)(如圖3所示).機(jī)器人從起點(diǎn)出發(fā),依次經(jīng)過abcd點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn),在該過程中要繞過灰色的障礙物.虛線部分為人引導(dǎo)機(jī)器人走過各點(diǎn)并到達(dá)終點(diǎn)的路徑.在引導(dǎo)路徑上放置了新的障礙物(圖中的黑色障礙物),機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)動(dòng)路線如實(shí)線所示.從圖中可以看出,突發(fā)障礙物和路徑不夠優(yōu)化是路徑變化的主要原因,若機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)環(huán)境沒有發(fā)生變化,實(shí)際路徑通常會(huì)優(yōu)于引導(dǎo)路徑,這也證明了該方法的有效性.實(shí)驗(yàn)2.機(jī)器人在走廊內(nèi)依次按abcd的順

22、序到這4個(gè)房間內(nèi)傳送物品(如圖4所示).1542計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展2005,42(9)機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)動(dòng)路線如圖4中實(shí)線所示,虛線部分表示引導(dǎo)路線.從圖4可以看出,機(jī)器人不僅完成了到達(dá)各個(gè)房間的任務(wù),而且所走過的路徑要優(yōu)于引導(dǎo)路徑.3fig.3experimentresultofnavigation圖3導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)結(jié)果fig.4experimentresultofnavigation圖4導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)結(jié)果5結(jié)論本文給出了一種在動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中利用少許人類輔助的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方法.該方法利用多傳感器融合生成環(huán)境地圖,并利用極坐標(biāo)地圖的導(dǎo)航方式運(yùn)動(dòng),可以縮短機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和距離,處理出現(xiàn)的突發(fā)障礙物,還能夠?qū)β?/p>

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