移動機(jī)器人的避障技術(shù)與常用傳感器

　　移動機(jī)器人是機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域，人們很早就開始移動機(jī)器人的研究。世界上第一臺真正意義上的移動機(jī)器人是斯坦福研究院（SRI）的人工智能中心于1966年到1972年研制的，名叫Shakey，它裝備了電視攝像機(jī)、三角測距儀、碰撞傳感器、驅(qū)動電機(jī)以及編碼器，并通過無線通訊系統(tǒng)由二臺計算機(jī)控制，可以進(jìn)行簡單的自主導(dǎo)航。Shakey的研制過程中還誕生了兩種經(jīng)典的導(dǎo)航算法：A*算法（the A* search algorithm）和可視圖法（the visibility graph method）。雖然Shakey只能解決簡單的感知、運(yùn)動規(guī)劃和控制問題，但它卻是當(dāng)時將AI應(yīng)用于機(jī)器人的最為成功的研究平臺，它證實了許多通常屬于人工智能（AriTIficial Intelligence， AI）領(lǐng)域的嚴(yán)肅的科學(xué)結(jié)論。從20世紀(jì)70年代末開始，隨著計算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，以及新的機(jī)器人導(dǎo)航算法的不斷推出，移動機(jī)器人研究開始進(jìn)入快車道。

　　移動機(jī)器人智能的一個重要標(biāo)志就是自主導(dǎo)航，而實現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航有個基本要求——避障。下面讓我們來了解一下移動機(jī)器人的避障，避障是指移動機(jī)器人根據(jù)采集的障礙物的狀態(tài)信息，在行走過程中通過傳感器感知到妨礙其通行的靜態(tài)和動態(tài)物體時，按照一定的方法進(jìn)行有效地避障，最后達(dá)到目標(biāo)點。

　　實現(xiàn)避障與導(dǎo)航的必要條件是環(huán)境感知，在未知或者是部分未知的環(huán)境下避障需要通過傳感器獲取周圍環(huán)境信息，包括障礙物的尺寸、形狀和位置等信息，因此傳感器技術(shù)在移動機(jī)器人避障中起著十分重要的作用。避障使用的傳感器主要有超聲傳感器、視覺傳感器、紅外傳感器、激光傳感器等。

　　移動機(jī)器人避障常用的傳感器

　　1.激光傳感器

　　激光測距傳感器利用激光來測量到被測物體的距離或者被測物體的位移等參數(shù)。比較常用的測距方法是由脈沖激光器發(fā)出持續(xù)時間極短的脈沖激光，經(jīng)過待測距離后射到被測目標(biāo)，回波返回，由光電探測器接收。根據(jù)主波信號和回波信號之間的間隔，即激光脈沖從激光器到被測目標(biāo)之間的往返時間，就可以算出待測目標(biāo)的距離。由于光速很快，使得在測小距離時光束往返時間極短，因此這種方法不適合測量精度要求很高的（亞毫米級別）距離，一般若要求精度非常高，常用三角法、相位法等方法測量。

　　2.視覺傳感器

　　視覺傳感器的優(yōu)點是探測范圍廣、獲取信息豐富，實際應(yīng)用中常使用多個視覺傳感器或者與其它傳感器配合使用，通過一定的算法可以得到物體的形狀、距離、速度等諸多信息。或是利用一個攝像機(jī)的序列圖像來計算目標(biāo)的距離和速度，還可采用SSD算法，根據(jù)一個鏡頭的運(yùn)動圖像來計算機(jī)器人與目標(biāo)的相對位移。但在圖像處理中，邊緣銳化、特征提取等圖像處理方法計算量大，實時性差，對處理機(jī)要求高。且視覺測距法檢測不能檢測到玻璃等透明障礙物的存在，另外受視場光線強(qiáng)弱、煙霧的影響很大。

　　3.紅外傳感器

　　大多數(shù)紅外傳感器測距都是基于三角測量原理。紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，當(dāng)遇到物體以后，光束會反射回來，如圖所示。反射回來的紅外光線被CCD檢測器檢測到以后，會獲得一個偏移值L，利用三角關(guān)系，在知道了發(fā)射角度α，偏移距L，中心矩X，以及濾鏡的焦距f以后，傳感器到物體的距離D就可以通過幾何關(guān)系計算出來了。紅外傳感器的優(yōu)點是不受可見光影響，白天黑夜均可測量，角度靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、價格較便宜，可以快速感知物體的存在，但測量時受環(huán)境影響很大，物體的顏色、方向、周圍的光線都能導(dǎo)致測量誤差，測量不夠精確。

　　4.超聲波傳感器

　　超生波傳感器檢測距離原理是測出發(fā)出超聲波至再檢測到發(fā)出的超聲波的時間差，同時根據(jù)聲速計算出物體的距離。由于超聲波在空氣中的速度與溫濕度有關(guān)，在比較精確的測量中，需把溫濕度的變化和其它因素考慮進(jìn)去。超聲波傳感器一般作用距離較短，普通的有效探測距離都在5-10m之間，但是會有一個最小探測盲區(qū)，一般在幾十毫米。由于超聲傳感器的成本低，實現(xiàn)方法簡單，技術(shù)成熟，是移動機(jī)器人中常用的傳感器。