一种动态环境下的移动机器人避障策略

郑敏捷等： 一种动态环境下的移动机器人避障策略
重要的问题之 一。 由 激 光 雷 达 的 特 点 可 以 看 出， 激 光光束为发散的 射 线 状， 并且扫描点的间距随距离 的增加而扩大， 因此对于距离较远的障碍块在栅格 地图中就是一些 离 散 的 障 碍 栅 格， 并且离机器人越 远障碍栅格间的间距越大。 在本文设计的 系 统 中， 激光雷达设置了 0 . 5 的 在 20m 时 扫 解析度， 在 11 . 5m 时 扫 描 间 距 为 10cm， 描间距 为 17 . 5cm。 在 检 测 窗 口 中 由 于 最 远 距 离 是 扫描点最大间距小于障碍物扩张距离 W r ， 所以 20m， 经过障碍物扩张 后， 建立的栅格地图中的检测窗口 里表示障碍块的各栅格都是连通的。通过对连通栅 格块内的搜索可以确定探测到障碍块的扫描点的集 合 W， 设有 I 个扫描点， 由式 X ^ = 1 XO i I! i=1 I ^ = 1 Y YO i I! i=1
［5］ ， 在高 反应式避障算 法 以 保 障 系 统 的 实 时 性 要 求
层对动态环境进 行 建 模 分 析， 采取相应的避障策略 指导底层来实现对动态障碍物的避障。通过这种双 层模型的设计很好地解决了动态环境建模及分析的 复杂性和避障所要求的实时性之间的矛盾。该导航 策略在自 行 研 制 的 移 动 机 器 人 MORCS-1 上 进 行 了 验证。
郑敏捷等： 一种动态环境下的移动机器人避障策略
一种动态环境下的移动机器人避障策略 !
郑敏捷 ! ! 蔡自兴 !
! 于金霞 ! !
（ ! 中南大学信息科学与工程学院
长沙 410083） 焦作 454003）
! 河南理工大学计算机科学与技术学院 （!
摘
要
以激光雷达作为主要的环境感知传 感 器， 针对动态环境设计了一种移动机器人
图! 系统结构图
" !
国家自然科学基金 （ 60234030） 资助项目。 男， 硕士生； 研究方向： 移动机器人导航， 智能控制； 联系人， 1982 年生， E-maiI：mj （收稿日期： 2005-10-09）
Zheng @ 126 . com
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高技术通讯
2006 年 8 月 第 l6 卷 第 8 期 以内， 则 !m 的最大值为 4 . 0cm。 ! "! 环境建模 采用二维笛卡儿矩形栅格地图来表示雷达探测 到的环境。栅格大小的选取直接关系到控制算法的 精度， 考虑到机器 人 的 物 理 尺 寸 及 激 光 雷 达 精 度 较 高且速度快的 优 点， 选 择 l0cm X l0cm 为 一 个 栅 格， 这样环境模型可以达到较高的精度和实时性。 通过下式可把激光雷达测量的距离信息映射到 机器人的环境坐标系 （世界坐标系） 中：
避障策略。根据激光雷 达 采 集 的 实 时 环 境 信 息， 检 测 动 静 态 障 碍 物 并 建 立 障 碍 物 链 表。 采用底层反应式避障和高层动态避障相结 合 的 策 略， 实 现 了 动 态 环 境 下 的 避 障。使 用 分 布式的软件设计方法， 提高了系统的实时性。通过自行研制的移动机器人 MORCS-1 进行 了实验， 实验结果验证了该策略的有效性。 关键词 动态环境，障碍物检测，反应式避障，动态避障，激光雷达
图!
雷达信息到环境坐标的转换
通过式
{
（ x' / w ） （ w / 2） ・ w + int x g = int （ y' / w ） （ w / 2） ・ w + int y g = int
（3）
可以将障 碍 点 坐 标 映 射 到 栅 格 地 图 中 相 应 的 栅 格 上。其中， （ xg ， 为 栅 格 在 世 界 坐 标 系 中 的 坐 标， yg ） w 为栅格的宽度。 为了 简 化 模 型， 将栅格地图中的障碍物向外扩 这样机器人可 张 Wr ， W r 为移动机器人外切圆半径， 以简化为一个质点进 行 考 虑。 在 本 文 实 验 中 W r 为 同时在机器人 正 前 方 开 辟 一 个 半 径 为 20m 的 54cm， 半圆作为检测窗 口， 进入这个窗口中的障碍物需要 进行动静态检测， 对于检测窗口之外的区域可以暂 时不予考虑以降低系统的计算量。 ! "$ 动静态障碍物的检测 在动态环境下动态和静态障碍物的检测是十分
其中， （ x' ， 表 示 障 碍 点 在 世 界 坐 标 系 中 的 坐 标， y' ） （ xr ， 表示机器人中心在世界坐标系中的坐标。 d yr ） 表示激光雷达探测到的 距 离， "l 表 示 机 器 人 的 航 向 角， "2 表示探测障碍物的 激 光 束 方 向 与 机 器 人 航 向 之间的夹角， 如图 2 。
I
配， 匹配出 这 个 两 个 周 期 内 障 碍 物 移 动 的 "x ， "y ， 障碍物的速 " #。并计算出 障 碍 物 移 动 的 距 离 " ， 度 1 和方向#。 确定 各 障 碍 物 的 状 态， 通过 " 是否小 步骤 5 ： 于一个域值$ 来判断该障碍物是静态还是动态 障碍 物。判断后记录信息并插入障碍物链表中。 返回步骤 2 。 步骤 6 ： 其中， 由于系统采样周期很短， 为了便于障碍物 分析和计算， T 和 T + 1 的时间间隔取 8 倍采样周 期， 为 0 . 1s。试验中 ! 取 20cm， $ 取 5cm。由于该算 法每次只是计算 检 测 窗 口 中 的 信 息， 所以可以减少 计算量。 步骤 5 中局部地图匹配 算 法 是 在 T 和 T + 1 周 期的两副栅格地图中， 对于每对障碍物， 取以障碍物 为中心的 40 X 40 个栅格的区域为 其局部 栅格地 图， 对这两副局部地 图 进 行 以 栅 格 为 单 位 的 地 图 匹 配。 找到最大的匹配点时所对应的 "x ， "y ， " #。该算 法 对障碍物的大小 和 速 度 有 一 定 的 限 制， 障碍物太大 和太快时需要调整栅格的分辨率或扩展局部栅格地 图的大小。
（4）
求出该障碍 块 中 心 的 估 计 位 置。 其 中 X O ， YO 分 别 i i ^ ，Y ^ 分别 为 W 中的扫 描 点 在 世 界 坐 标 中 的 坐 标； X 为障碍物的估计坐标。由于每次扫描到的障碍物信 息是不完全的， 所以该估计坐标只能大致反应障碍 物的位置。同时 为 了 便 于 分 析， 取障碍物的外切圆 代替障碍物。 激光雷达每个周期只能采集到当前周期局部环 境信息， 因此对于 动 态 环 境 的 检 测 必 须 采 样 多 个 周 期进行分析。本文取多个周期的检测窗口中的环境 信息， 分析并建立障碍物链表， 链表中每个节点都记 录一个障碍物的估计位置、 外切圆半径、 障碍物的标 志位、 障碍物运动的速度以及方向 和未知的障碍物。 基本分析算法如下： 步骤 1 ： 读取探测到的检测窗口的实时环境信 息， 建立并保存 该 检 测 窗 口 的 栅 格 地 图。 对 栅 格 地 图中的障碍物进 行 扩 张， 计算出各障碍物的估计坐 标和外切圆半径， 以此建立 T 周期的障碍物链表。 步骤 2 ： 读取下一个周期检测窗口的实时环境 信息， 建立 T + 1 周期的障碍物链表 （同步骤 1） 。 步骤 3 ： 搜索 T + 1 周 期 障 碍 物 链 表， 并和 T 周 期障碍物链表进 行 配 对， 匹配标准是两个障碍物节 点的估计坐标之间的距离小于一 个域 值 !。 每对 配 对的障碍物可以认为是同一个障碍物。 步骤 4 ： 在 T 和 T + 1 周 期 的 两 副 栅 格 地 图 中， 对每对障 碍 物 的 所 在 的 局 部 栅 格 地 图 进 行 地 图 匹
其中 d 表示探测的距离； ! ! d 为针对同一目标多次测 量均值的标准差； !d 为针 对 不 同 类 物 体 测 距 时 的 系 统误差估计值， 取! ! ! d 的 3 倍。所以 可 以 把 ! d 作为静 止目标的测量均值估计误 差， !d 作 为 在 动 态 环 境 下 单次测量下的估计误差。 在动态环境下， 对动态障碍物的测量 误 差 !o 是 由激光雷达 的 测 量 误 差!d 和 由 机 器 人 与 障 碍 物 相 可由下式求出： 对运动引起的运动误差!m 组成的，
［4］ 提出了速 度 障 碍 的 观 点， 即根据相对速度 Fiorinio
在线规划路径， 实现动态环境下的避障和导航控制 问题。以上策略 都 实 现 了 动 态 避 障， 但在一定程度 上都存在着系统实时性与环境建模精度及运算量之 间的矛盾。 本文 采 用 了 分 布 式 的 结 构 设 计， 通过双层模型 的协作完成了在动态环境中的导航。在底层中采用
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ห้องสมุดไป่ตู้
环境建模
动态环境下的激光雷达的误差分析 本文采用 SICK 公司的 LMS29l 型激光雷达作为
{
（"l + "2 ） x' = x r + d ・ coS （"l + "2 ） y' = y r + d ・ Sin
（2）
主要的环境 感 知 传 感 器。选 择 0 . 5 的 解 析 度， 每个 周期返回其前 方 l80 范 围 内 的 36l 个 数 据， 完成一 次线扫描 的 周 期 时 间 为 26 . 67mS， 系统处理时间大 约为 23mS。直 接 由 激 光 雷 达 获 得 的 距 离 数 据 需 要 标定。由于激光雷达测量数据的误差和测量距离有 很大的关系， 因此 需 要 通 过 实 验 统 计 得 出 不 同 距 离 范围下的标准差取值 （见表 l） 。
在静态环境下通过反应式避障模块机器人能完 成大部分情况下 的 避 障 过 程， 但是对于较复杂的环 境特别是存在动 态 障 碍 物 的 情 况 下， 则需要高层的 指导完成导航。 因 此 本 文 采 取 了 两 层 结 构： 底层是 反应式避障模块 实 现 对 静 态 障 碍 物 的 避 障； 高层通 过对障碍物的分 析 并 采 取 相 应 的 避 障 策 略， 提前指 导底层反应式避障模块来实现对动态障碍的避障。
{
!o = !d + !m
（ t sence + t process ） ・ !m = （ u r + u o ）
（l）
其中 !d 可 由 表 l 确 定； !m 为 由 机 器 人 与 障 碍 物 相 对 运 动 引 起 的 运 动 误 差， ur 表 示 机 器 人 的 运 动 速 度， u o 表示障碍物的运动速度， t sence 为激 光 雷 达 传 感 器的采样周 期 （为 26 . 67mS ） ， t process 为 计 算 机 处 理 周 期 （约为 23mS） 。 在本 文 设 计 的 移 动 机 器 人 实 验 系 统 中， 机器人 最大前进速度为 20cm / S， 设 定 障 碍 物 速 度 在 60cm / S — 8l4 —
0
引 言
避障是反映移动机器人自主导航能力的关键问
1
系统结构
本文设计的系统是由两台工控机组成的分布式
题之一。在动态环境中的避障难度很大且又必须解 决， 很多学者对这 一 具 有 重 要 意 义 的 课 题 进 行 了 研 究。 Takeshi
［1］
系统 （图 1） 。激光雷达、 环 境 建 模、 障碍物的检测分 析和动 态 避 障 策 略 等 模 块 运 行 在 工 控 机 1 （ IPC1 ） 上， 由于该层信息 处 理 较 多， 运 算 量 大， 故采用性能 较高的工控机。运 动 控 制 模 块 （包 括 运 动 控 制 卡 和 步进电机） 、 反应 式 避 障 模 块 运 行 在 工 控 机 2 （ IPC2 ） 上。两台工控机 采 用 RS232 串 口 通 讯， 监控端通过 无线网桥与机器人实现无线通讯。
表# （ cm） d d " 500 500 " d " l000 l000 < d < 2000 2000 < d " 4000 d > 4000 不同距离范围下标准差取值 （ ! ! d cm） l .0 l .2 l . 35 l .7 l .8 （ ! d cm） 3 .0 3 .6 4 . 05 5 .l 5 .4
采用三层模糊控制的方 法 调 节 机 器 人
［2］
的运动速 度 和 方 向， 实 现 了 动 态 避 障； Tang 等
将
一段时间内的动 态 障 碍 物 看 成 静 止 的， 用栅格法搜
［3］ 索最优路径 并 通 过 该 路 径 来 进 行 动 态 避 障； Rude
采用空间时间坐标将二维动态环境转化为三维空间 里的静态环境， 进而转化为静态环境下的避障问题；