《多超声传感器机器人安全避障技术的运用》
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[摘 要]在社会经济高速发展的背景下,机器替代人工将在很多领域中得到广泛的应用.伴随着科学技术的不断提升,自动化、智能化水平越来越高,在现代工作中机器人的应用也越来越广泛,而要确保搬运机器人能够正常工作,关键是解决前进路上的安全避障问题.本文根据自行设计制作的空中速运机器人,对多超声传感器机器人安全避障技术运用进行了分析,希望对相关工作有参考价值.
[关键词]多超声传感器；机器人；安全避障技术
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0240-01
在科学技术突飞猛进的今天,机器人的应用也越来越广泛.多超声传感技术可以使机器人通过对周围环境的感知,并在相关计算的引导下,对障碍物体进行绕行,直至目标区域进行工作.自动搬运机器人不仅使得工作效率得到了增强,而且工作质量也有了提升,避免了过多的人力成本投入,确保了物流企业的正常运行.以下从几个方面对多超声传感器机器人安全避障技术的运用进行探讨：
1多传感器与信息融合
通过有效提升多传感器系统资源利用效率,可以很大程度上促进相关探测对象信息的获取.如何融合多传感器的各种数据,就如同是模拟人脑一样,通过系统能够实现不同信息以不同传感器进行采集.不仅可以实时的获取,也可非实时的进行获取；也可以是实变或者是非实变的.以图1我们设计的空中速运机器人为例,系统的原理就是将各传感器资源进行有效利用,并进行科学的支配,在对相关信息进行分析的基础上,描述和解释这些对象信息.通过对不同传感器信息进行融合,并使之不断优化,能够更好地计算障碍物的形状和位置,确定绕行路线.该系统具有非常丰富的信息采集量,同时可以在时间以及空间上进行不同方式的计算,可信度方面也有很大的提高.在信息获取方面,通过该系统对不同传感器进行协调,可以最大程度的确保飞行工作的顺利开展.
2多超声传感器避障技术
扫描触发方式是超声传感器避障技术采用的主要方式,可以规避相互间出现的交叉干扰,又能有效提升其检测实效.超声波在发出的过程中,单个传感器发出的波主要集中于波束的中心位置,具有明显的方向性,可以有效地探测一定方向上的障碍物.如我们使用的传感器类型,其可探测30度的方向开角,测算原理主要是计算发射和接收声波存在的时间差,并与声波在空气中的传输速度进行相乘,就能将障碍物的实际距离计算出来.但由于单个的传感器只能获知一定方向障碍物的距离,而在其他方向上却不能进行准确探测,而出现幻影,导致测算结果出现偏差.解决此问题的思路是,可通过多传感器对不同方向和距离的隶属度函数予以综合,并对计算工作量和运算的效率进行全面平衡.考虑到要确保飞行器的安全,对运算实时性的要求较高,因此我们采用线性函数来进行计算.通过弧形排列的方式来设置传感器,并将一定的间隔设置于传感器之间,视具体应用效果予以动态调整,依照传感器的实际排列和方向角关系的方向隶属函数,对传感器位置隶属度进行获知.根据六轴飞行器的特点,对障碍物方向模糊语言集合设置5个方向：{右,右偏,前方,左偏,左},对其相应的语言变量进行设置.因空中速运机器人在工作过程中会遇到难以预料的复杂环境,所以对障碍物位置建立精确的数学模型并对其进行准确预测存在很大难度,但在模糊算法的应用下,可以起到良好的效果,可利用多传感器快速探测障碍物的方向以及其距离.
3基于GPS和WIFI的定位技术
對于传统的定位技术而言,其主要分为相对定位和绝对定位.相对定位,如基于WIFI的定位技术,具有短时间内精度高,不用投入过多器件的特点.然而在应用该方法的过程中存在较大的时间漂移,在增加路径的过程中会不断的积累一些小的误差,并使之越来越大,所以该方法只能运用于距离较短和时间较短的障碍物定位.绝对定位,如基于GPS的定位技术,包括了地图匹配定位和路标定位.GPS定位在实际中应用比较广泛,但需要GPS数据支持,一旦进入封闭区域或者信号不强,则该方法无法使用,因此该方法只能适用于室外开阔区域.
我们设计的空中速运机器人（如图1）,巧妙的利用了相对定位和绝对定位的优点进行结合,避免了各自方法中的缺点,经实际测试效果良好.首先在机器人上设置GPS定位模块,当在室外开阔地带飞行时,使用GPS自身测定的位置坐标进行导航；当在室内封闭区域或信号不强时,使用基于WIFI的定位技术,此时需要在机器人工作环境中设置WIFI路标,之后利用机器人自身传感器对周围环境进行探测,利用获得的信息构造局部地图并将其与原有的地图进行比较,如果二者相匹配就能够得到机器人正确的方向与位置.根据目前已经得到的信息能够将其划分成环境信息已知的离线路径全局规划、环境信息部分已知或者未知的离线路径全局规划.通过视图法以及栅格法对路径进行规划,后者能够将最短的路径进行获取,但前者则通过单元网格对环境进行分解,累计值存在于网格之中,提示障碍物存在于该位置上.在对环境进行有效采样的过程中,通过传感器可以针对障碍物体进行不断检测获知其栅格.栅格大小对控制算法所具有的性能影响较大,栅格越小环境分辨率越大,但这样就不能很好的抵抗干扰.反之若抗干扰能力增大,则分辨率降低,并减少了信息的储存,无法对复杂的障碍物进行路径寻找,减弱其定位能力.
4安全避障技术的运用
多超声传感器技术在我们设计的空中速运机器人中也有应用,在其运动过程中遇到的障碍物可基于超声波雷达传感器进行检测,可做出减速或者停车等动作.如果具有一定的宽度,在其对障碍物进行检测后,就会移动向其另一个方向,进而绕过障碍物,检测障碍物未分布在其运动方向的前面,就正常向前移动；如果前进方向存在障碍物,宽度又很有限,就可对通行路线进行重新计算,依照新的路径进行行走,避开障碍物的影响,直至到达目的地.导航中采用激光无轨形式,在机器人的前部安装激光导航扫描仪,有超声波雷达传感器6个分别安装在机器人的6个前进方向上,通过滑移方式进行转向.对于周围环境通过二维激光进行扫描,并把这些扫描的结果和储存地图予以对比分析、匹配,用于导航.可以对40-60米的范围进行有效的检测,达160°的扫描范围,检测面为水平反角扇型.达5米的超声波检测范围,表现为锥形特征,小于3米的障碍物,机器人进行减速,小于1米障碍物机器人进行急停.超声波雷达对机器人本体进行全面覆盖,在具体试飞过程中通过多传感器的应用,进行相关的测试,经验证可以完成相关的工作.但还有问题存在,需要进行有效改进,由此促进其更好的应用.
空中速运机器人在工作过程中,通过避障可以更好地保证其安全飞行,但运用避障算法必须要对环境模型进行模拟,具有非常大的计算量,同时计算的效率不高.而机器人通过多传感器方案进行设计能够有效的规避传统方案存在的缺点,大大提升其工作效率.
参考文献：
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传感器引用文献:
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