當(dāng)今科技高速發(fā)展的時(shí)代，人們?cè)絹?lái)越需要機(jī)器人去替代人來(lái)完成一些危險(xiǎn)的任務(wù)，例如在科學(xué)探索以及救災(zāi)搶險(xiǎn)中，經(jīng)常會(huì)遇到一些危險(xiǎn)或者人類(lèi)無(wú)法輕易到達(dá)的地方。機(jī)器人避障是機(jī)器人技術(shù)中一項(xiàng)最基礎(chǔ)也是關(guān)鍵的功能，它旨在讓機(jī)器人行動(dòng)過(guò)程中保證不發(fā)生碰撞，避免結(jié)構(gòu)的過(guò)度老化、脫落。機(jī)器人避障技術(shù)的核心包括了傳感器的選擇和規(guī)劃算法的選擇。
一、機(jī)器人常用避障傳感器
機(jī)器人避障的第一步，是讓機(jī)器人能夠感知周?chē)h(huán)境。一般來(lái)說(shuō)，我們需要通過(guò)傳感器給機(jī)器人提供周?chē)h(huán)境的參數(shù)指標(biāo)。例如障礙物的尺寸、形狀和位置等。目前避障使用的傳感器各種各樣，其特點(diǎn)和適用范圍也不同。根據(jù)不同的原理，可分為：超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器和視覺(jué)傳感器等。
1）超聲波傳感器
超聲波傳感器的原理是：先發(fā)出超聲波，然后檢測(cè)反射波的延遲，根據(jù)聲速計(jì)算目標(biāo)與物體之間的距離。由于超聲波在空氣中的速度和濕度，溫度有關(guān)，在實(shí)踐中，需要考慮到這些因素的變化。另外，超聲波傳感器的有效距離，一般小于10m，并且會(huì)有最小約幾十毫米的檢測(cè)盲點(diǎn)，它只能用于小型項(xiàng)目。超聲波傳感器成本低廉，技術(shù)成熟，原理簡(jiǎn)單，是最常用的傳感器。
2）紅外傳感器
紅外傳感器大多基于三角測(cè)量原理。發(fā)射器以一定的角度向待測(cè)物體發(fā)射紅外光束，被物體反射回來(lái)后用另一個(gè)接收器檢測(cè)到，會(huì)得到一個(gè)偏移值。利用幾何關(guān)系可以根據(jù)發(fā)射角度計(jì)算得到傳感器與物體的距離。常見(jiàn)的紅外傳感器的測(cè)量距離都比較近，小于超聲波傳感器的距離。另外，對(duì)于透明的物體（例如玻璃等）紅外線會(huì)穿透的材質(zhì)，紅外傳感器是無(wú)法檢測(cè)距離的。
3）激光傳感器
激光傳感器原理類(lèi)似前一個(gè)方法，只是用激光替代了紅外線來(lái)測(cè)量距離。常用的測(cè)距方式是由發(fā)射器發(fā)出持續(xù)時(shí)間很短的脈沖激光，由接收器接收返回的信號(hào)，根據(jù)入射波與反射波的延時(shí)，測(cè)出與目標(biāo)的實(shí)際距離。由于光速比聲速快很多，這種測(cè)量方式往往用于大型測(cè)量，如航天研究中，而并不適合對(duì)精度要求很高的領(lǐng)域。
4）視覺(jué)傳感器
視覺(jué)傳感器利用多個(gè)傳感器聯(lián)合使用，通過(guò)復(fù)雜的算法模擬計(jì)算出物體的形狀、速度、距離等。這種方法雖然探測(cè)范圍比較寬闊，獲取信息量也大，但是對(duì)機(jī)器人內(nèi)置的處理器的要求比較高，且由于處理時(shí)間的存在，導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)反應(yīng)差。此外，它也會(huì)收到霧霾等光學(xué)因素的干擾。
二、服務(wù)機(jī)器人常用避障算法
目前移動(dòng)類(lèi)服務(wù)機(jī)器人的避障根據(jù)環(huán)境信息的掌握程度可以分為障礙物信息已知、障礙物信息部分未知或完全未知兩種。傳統(tǒng)避障方法主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無(wú)碰撞全局路徑規(guī)劃，主要采用人工勢(shì)場(chǎng)法、柵格法、自由空間法等算法。傳統(tǒng)避障方法對(duì)障礙物信息己知時(shí)的避障問(wèn)題處理尚可，但當(dāng)障礙信息未知或者障礙是可移動(dòng)的時(shí)候，傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法一般不能很好的解決避障問(wèn)題或者根本不能避障。而實(shí)際生活中，絕大多數(shù)的情況下，機(jī)器人所處的環(huán)境都是動(dòng)態(tài)的、可變的、未知的，為了解決上述問(wèn)題，人們引入了計(jì)算機(jī)和人工智能等領(lǐng)域的一些算法。同時(shí)得益于處理器計(jì)算能力的提高及傳感器技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)器人平臺(tái)上進(jìn)行一些復(fù)雜算法的運(yùn)算也變得容易，由此產(chǎn)生了一系列智能避障方法，比較熱門(mén)的有：遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法等。
三、服務(wù)機(jī)器人避障能力測(cè)試
服務(wù)機(jī)器人避障能力測(cè)試可分為兩類(lèi)：障礙物探測(cè)測(cè)試和障礙物規(guī)避測(cè)試。
1、障礙物探測(cè)測(cè)試
本測(cè)試的目的是判定機(jī)器人針對(duì)不同幾何形狀和材質(zhì)障礙物時(shí)的探測(cè)能力和障礙物距離檢測(cè)能力。障礙物參數(shù)一般基于制造商指定的最小和最大傳感范圍確定，機(jī)器人未必能識(shí)別到邊界參數(shù)障礙物。
1）測(cè)試環(huán)境
測(cè)試區(qū)域應(yīng)足夠大，可容納機(jī)器人和制造商聲明的最大規(guī)定范圍的障礙物，如圖所示。機(jī)器人與障礙物之間不應(yīng)有任何障礙物。測(cè)試環(huán)境的墻壁不應(yīng)該有任何標(biāo)記。
圖 1 障礙物探測(cè)的測(cè)試布局
2）測(cè)試方法
測(cè)試時(shí)可包含六個(gè)規(guī)格障礙物，分別是松木墻面、玻璃墻面、松木桌、剛性桌、大圓柱、小圓柱。每次測(cè)試遵循以下測(cè)試方法：
A. 機(jī)器人處于初始位姿；
B. 將障礙物放置在制造商聲明的最大規(guī)定范圍后，由機(jī)器人檢測(cè)障礙物的位置；
C. 將障礙物放置在最小規(guī)定范圍后，由機(jī)器人測(cè)量障礙物的位置。
D. 將障礙物放置在相對(duì)于機(jī)器人的視線逆時(shí)針45°方向的直線上，重復(fù)步驟B和C。每次測(cè)量完成后，逆時(shí)針增加45°角，重復(fù)步驟D。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)初始位置時(shí)，程序停止。調(diào)整障礙物的方向，使其最大的一面面向機(jī)器人。通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人代替障礙物，可以實(shí)現(xiàn)障礙物的相對(duì)定位。
2、障礙物規(guī)避測(cè)試
本測(cè)試的目的是判定機(jī)器人通過(guò)停止或執(zhí)行適當(dāng)?shù)囊?guī)避動(dòng)作來(lái)防止與靜態(tài)或動(dòng)態(tài)障礙物碰撞的能力。在障礙物與機(jī)器人的任何部分發(fā)生物理接觸前，機(jī)器人必須停止。如發(fā)生避障動(dòng)作，應(yīng)按照制造商的規(guī)定，保持障礙物與機(jī)器人任何部件之間的最小距離。
1）測(cè)試環(huán)境
將機(jī)器人放置在初始位置，距離目標(biāo)位置9個(gè)長(zhǎng)度單位，平鋪一層，如下圖所示。靜態(tài)障礙物和動(dòng)態(tài)障礙物的動(dòng)作如下圖所示:
動(dòng)作1：將障礙物放置在初始位置和目標(biāo)位置之間，保持靜止；
動(dòng)作2：以與機(jī)器人運(yùn)行路徑垂直90°的方向，將障礙物移動(dòng)到位置P2；
動(dòng)作3：以與機(jī)器人運(yùn)行路徑垂直45°的方向，將障礙物移動(dòng)到位置P3；
動(dòng)作4：在機(jī)器人運(yùn)行路徑上，將障礙物移動(dòng)到位置P1，以阻止機(jī)器人從初始位置到達(dá)目標(biāo)位置。
圖 2 測(cè)試布局與障礙物動(dòng)作（俯視圖）
為了體現(xiàn)人類(lèi)典型的行走速度，建議障礙物的速度為1.6m/s，可采用移動(dòng)平臺(tái)或移動(dòng)機(jī)器人替代。障礙物的動(dòng)作須與機(jī)器人的動(dòng)作同步，使其同時(shí)達(dá)到P1的位置。
2）測(cè)試方法
該測(cè)試可根據(jù)以上描述形成十種測(cè)試用例，每次測(cè)試應(yīng)遵循以下測(cè)試方法：
A. 將機(jī)器人放置在初始位置P0，以制造商規(guī)定的給定場(chǎng)景額定速度和負(fù)載移動(dòng)到目標(biāo)位置PG。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，記錄運(yùn)行時(shí)間；
B. 在每次進(jìn)行障礙動(dòng)作1、2、3或4時(shí)，將機(jī)器人放置在初始位置P0，將障礙物放置在障礙動(dòng)作初始位置；
C. 使機(jī)器人以制造商規(guī)定的給定場(chǎng)景額定速度和負(fù)載移動(dòng)到目標(biāo)位置PG，同時(shí)使障礙物分別依據(jù)障礙動(dòng)作2、3或4要求移動(dòng)至終點(diǎn)位置。障礙物的初始位置可以沿直線路徑調(diào)整，以保證在障礙物以1.6 m/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人和障礙物同時(shí)達(dá)到P1位置；
D. 當(dāng)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，記錄運(yùn)行時(shí)間。
如果機(jī)器人沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)位置或在行進(jìn)過(guò)程中碰到障礙物，則視為試驗(yàn)失敗。針對(duì)一個(gè)特定的測(cè)試用例，從一開(kāi)始至連續(xù)三次試驗(yàn)成功后，視為避障成功。如果前三次試驗(yàn)中至少有一次失敗，則應(yīng)將此測(cè)試視為失敗。選取前三次試驗(yàn)成功后的平均無(wú)障礙運(yùn)行時(shí)間為無(wú)障礙運(yùn)行時(shí)間T0。選取前三次成功試驗(yàn)的最大帶障礙運(yùn)行時(shí)間為帶障礙運(yùn)行時(shí)間T1。延遲因子可定義為T(mén)1/T0的值。
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