【導讀】在傳感器避障領(lǐng)域,采用單一的傳感器測量的效果并不理想,在實(shí)際應用中往往需要采用其他類(lèi)型的傳感器進(jìn)行補償,才能實(shí)現對周?chē)h(huán)境的探測的最佳效果。當然,這就產(chǎn)生了多傳感器信息的融合處理的問(wèn)題,增大了信息處理的工作量和難度。
那么,除了這種傳感器避障方法,還有很多的其他方法融合處理多種傳感器信息,讓全自主機器人實(shí)現完美避障,比如人工勢場(chǎng)法避障控制法、模糊邏輯控制避障控制法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )避障控制法、柵格法避障控制法以及聲波避障控制法等。
人工勢場(chǎng)避障控制法
人工勢場(chǎng)避障控制法,是一種比較簡(jiǎn)單又新穎的做法,是另一種仿生學(xué),仿照物理學(xué)中電勢和電場(chǎng)力的概念,建立機器人工作空間中的虛擬勢場(chǎng),按照虛擬勢場(chǎng)力方向,實(shí)現局部路徑規劃。
通過(guò)構造目標位姿引力場(chǎng)和障礙物周?chē)饬?chǎng)共同作用的人工勢場(chǎng),來(lái)搜索勢函數的下降方向,然后尋找無(wú)碰撞路徑。
聽(tīng)起來(lái)很玄乎,但是早已經(jīng)有應用產(chǎn)品了,Khatib曾應用于移動(dòng)機器人的導航上。但是并沒(méi)有得到大規模應用。
因為即使對于簡(jiǎn)單環(huán)境很有效,但是都是在靜態(tài)的研究中得出的,而沒(méi)有考慮障礙物的速度和加速度的影響,所以在動(dòng)態(tài)避障控制中,人工勢場(chǎng)法避障控制不是很理想。因為在復雜的多障礙環(huán)境中,不合理的勢場(chǎng)數學(xué)方程容易產(chǎn)生局部極值點(diǎn),導致機器人未到達目標就停止運動(dòng),或者產(chǎn)生振蕩、擺動(dòng)等現象。
另外,傳統的人工勢場(chǎng)法著(zhù)眼于得到一條能夠避障的可行路徑,還沒(méi)有研究出什么最優(yōu)路徑。

模糊邏輯控制避障法出現得并不晚,1965年美國的一位教授就提出過(guò)模糊邏輯的概念。1974年,英國倫敦大學(xué)一位教授利用模糊控制語(yǔ)句組成的模糊控制器控制鍋爐和氣輪機的運行獲得成功,開(kāi)始將模糊數學(xué)應用于自動(dòng)控制領(lǐng)域,包括機器人領(lǐng)域。
由于不必創(chuàng )建可分析的環(huán)境模型,目前模糊邏輯方法在解決機器人避開(kāi)障礙物問(wèn)題上己經(jīng)有了大量的研究工作。另一個(gè)獨特優(yōu)點(diǎn)也讓用專(zhuān)家知識調整規則成為可能,因為規則庫的每條規則具有明確的物理意義。
在模糊邏輯控制避障法中,模糊控制規則是模糊控制的核心。當前研究工作的新趨勢之一是它的漸增本質(zhì),特別是在模糊控制規則的自動(dòng)生成方面,即連同自動(dòng)模糊數據獲取,給予算法在線(xiàn)模糊規則學(xué)習能力,數據獲取和規則生成均自動(dòng)執行。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是由許多單元(又稱(chēng)神經(jīng)元),按照一定的拓撲結構相互連接而成的一種具有并行計算能力的網(wǎng)絡(luò )系統,它具有較強的非線(xiàn)性擬合能力和多輸入多輸出同時(shí)處理的能力。用在機器人上,就是通過(guò)模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理信息的方式,從另一個(gè)研究角度來(lái)獲取具有人腦那樣的信息處理能力。
對于智能機器人來(lái)說(shuō),采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信息融合有一個(gè)最大優(yōu)勢,即可大規模地并行處理和分布式信息存儲,具有良好的自適應、自組織性,以及很強的學(xué)習功能、聯(lián)想功能和容錯功能,接近人腦的信息處理模式。

這屬于用啟發(fā)式算法在單元中搜索安全路徑。賦予每個(gè)柵格一個(gè)通行因子后,路徑規劃問(wèn)題就變成在柵格網(wǎng)上尋求兩個(gè)柵格節點(diǎn)間的最優(yōu)路徑問(wèn)題。搜索過(guò)程多采用四叉樹(shù)或八叉樹(shù)表示工作空間。
柵格法以基本元素為最小柵格粒度,將地圖進(jìn)行柵格劃分,比如基本元素位于自由區取值為0,處在障礙物區或包含障礙物區為1,直到每個(gè)區域中所包含的基本單元全為0或全為1,這樣在計算機中就較容易建立一幅可用于路徑規劃的地圖。
柵格粒度越小,障礙物的表示會(huì )越精確,也就更好避障。但往往會(huì )占用大量的儲存空間,而且算法也將按指數增加。
聲波避障控制法
聲波避障行為能夠實(shí)時(shí)監測長(cháng)距離超聲波傳感器,為機器人搜索開(kāi)闊路徑。當機器人離障礙物還有一定距離時(shí),超聲波傳感器就能夠檢測到相關(guān)信息,并據此控制機器人離開(kāi)。
然而,超聲波傳感器對非常接近的物體會(huì )探測不到,這個(gè)距離稱(chēng)為物理探測盲區。在剛發(fā)射信號的時(shí)候,返回信號的閾值會(huì )被設定得很高以防止發(fā)射波直接觸發(fā)接收器,因此如果檢測的距離很短、閾值沒(méi)有下降,返回信號已經(jīng)到達接收器,這時(shí)接收器會(huì )認為這個(gè)返回信號是剛發(fā)出的信號從而拒絕接收,使超聲波傳感器形成一個(gè)探測盲區,沒(méi)法對近距離物體探測。
另一個(gè)缺陷是,如果在一個(gè)比較小的轉彎角度上安裝有平滑的表面,該表面能夠將聲納波束向前反射,而不是反射回機器人。在這種情況下,由于沒(méi)有回波返回,傳感器就會(huì )產(chǎn)生一次漏報,機器人也會(huì )因此認為在自己行走的路徑上沒(méi)有障礙物存在。此時(shí),聲波避障行為不能得以觸發(fā),也就無(wú)法避障。

近年來(lái),激光雷達在移動(dòng)機器人導航中的應用日益增多。這主要是由于基于激光的距離測量技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn),特別是其具有較高的精度。
激光雷達與其它距離傳感器相比,能夠同時(shí)考慮精度要求和速度要求,這一點(diǎn)特別適用于移動(dòng)機器人領(lǐng)域。此外,激光雷達不僅可以在有環(huán)境光的情況下工作,也可以在黑暗中工作,而且在黑暗中測量效果更好。不過(guò),該傳感器也有一些相應的缺點(diǎn),比如安裝精度要求高、價(jià)格比較昂貴等。
