基于射线相交法的机器人避障规划研究【摘要】本文针对武装机器人在未知环境下的避障规划 问题，在分析现有测障技术、避障算法的基础上，提出一种射 线相交法来实现对动态障碍物的检测和规避该算法充分挖掘 障碍物的位置和运动信息，通过对运动趋势的分析来确定机器 人相应的规避动作，能够实现实时、稳定地避障最后通过仿 真试验证明了该算法的有效性和可靠性关键词】武装机器人；避障规划；射线相交法；超声波 传感器0引言随军事科技的发展，武装机器人的研究已成为机器人发展 的一个重要方向其中，对动态障碍物的避障规划研究直接体 现了机器人智能化的水平当前对于动态障碍物的避障规划应 用较为广泛的避障方法主要有基于神经网络、基于模糊逻辑、 基于行为、基于人工势场法的避障方法等［1］上述算法虽属 于智能算法，但往往计算时间长，实时避障效果不佳本文提 出一种射线相交法来确定运动障碍物和机器人在运动趋势上是 否存在相撞的可能性仿真试验结果证明了该避障算法的有效 性1武装机器人避障系统武装机器人在野外战场环境下要实现自动避开障碍物，至 少应包括环境探测、收集处理数据、避障决策和避障执行四个 过程［2］依据这四个过程，设计避障系统的体系结构如图1 所示。
图1避障系统结构框图武装机器人通过在不同位置、不同方向上安装11路超声 波传感器采用轮询的方式来对周围环境进行探测，以获取充足 的环境信息2基于射线相交法的避障规划2. 1算法引入超声波传感器无法如激光测距仪一样可获取非常精细的障 碍物信息，它只能够判断障碍物的整体信息，对于障碍物的运 动信息，如速度、加速度等信息往往无法准确获取［3］本文 利用射线相交法来确定运动障碍物和机器人在运动趋势上是否 存在相撞的可能性每一个障碍物在两个坐标系当中分别对应 一个坐标值，障碍物的坐标位置在存储器中以数组形式存放， 通过其地理坐标的变化可以大致辨别其运动趋势，从而判别其 朝向还是背离机器人运动2.2模型建立整个规划空间［6］中同时存在着地理坐标系XOY （以机器 人的起始运动位置为原点）和机器人运动坐标系■,如图2所 不O假设Robot从tO时刻到tl时刻从坐标原点0运动至（a, b）,其探测视野中始终存在静态障碍物obs_q和动态障碍物 obs_do在tO时刻测得障碍物在地理坐标系中的坐标值分别为 （x・・，y・・），（x・・，y・・）o在探测的下一时刻 tl,测得坐标值分别为（x・・，y・・），（x・・，y・・）o（1） 对于静态障碍物，理论上讲tO和tl时刻的坐标值 应当大致相等，测量偏差5可取合理值为20mm,即：xiae （xia-5 , x・・+6）y・・w （yB-6 ,yB+6 ） （1）图2射线相交法示意图（2） 对于动态障碍物，则要通过分析其运动趋势来确定 其状态变化。
动态障碍物obs_d的坐标值从（x・・，y・・） 变为（x・・，y・・），若满足式（2）则认为障碍物obs_d 不是静态障碍物x・・-X"〉6y・・-y"〉 (2)然后要判定obs_d与Robot运动趋势的关系Robot从原点0运动至■,其运动趋势可用向量■来表示，而障碍物 obs_d的运动趋势可用两时刻的坐标点DO和D1所在的向量■ 来表示分别从Robot和obs_d的tO时刻坐标点沿向量方向 进行延伸得到两条射线0■和D0D1,如图2所示，两射线相交 且虚拟碰撞点为F (xf, yf) o通过射线相交的办法可判定机 器人与障碍物的运动趋势的关系即：■ (3)2.3算法步骤具体的算法步骤可归纳为：Stepl：机器人在时刻tO对探测范围内的障碍物进行判定, 并记录下每一个障碍物所在的方向、距离及地理坐标系下的坐 标值；Step2：在时刻tl对探测区域再次判定，确定每一个障碍物的方向、距离及地理坐标系下的坐标值，并进行记录;Step3：按式（1）和式（2）比对这两个集合下的障碍物 信息对于坐标值未发生变化的障碍物，判定其为静态障碍物 对于坐标值发生变化的障碍物，判定为动态障碍物；Step4：对预判的动态障碍物利用射线相交法进行判定。
若存在交点，则说明障碍物朝向机器人运动若无交点，则判 定其背离机器人运动；Step5：向DSP传递障碍物的信息，供机器人进行合理的 避障决策3仿真试验为验证该算法的避障效果，在Mat lab环境下设计了仿真 试验，在出现动态障碍物的情况下武装机器人从起点（0, 0） 运（下转第23页）（上接第10页）动至终点（1.4, 7）,避 障结果如图3所示结果显示射线相交法对于动态障碍物具有 一定的规避能力，但震荡点增加较多，路径不够平滑，规划时 间增长，说明该算法在复杂障碍物环境下还有待于进一步优化 和改进图3动态障碍物环境下的避障仿真4结论机器人在动态障碍物环境下进行实时、有效避障，是当前 机器人研究的一个热点问题本文根据超声波传感器的性能和 未知环境的特点，对机器人的位置和运动信息充分挖掘，提出 一种射线相交法实现对动态障碍物的检测和规避，具有简洁有 效、避障效果好等优点，为动态环境下的避障规划研究提供了 一种新思路参考文献】[1] M. Seder, I Petrovic. Dynamic window based approach to mobile robot motion control in the presence of moving obstaeles [C]// IEEE International Conference on Robotics and Automation. Roma, Italy： IEEE Press, 2007： 1986-1992.[2] Siegwart R, Nouubakhsh I R,李人厚.自主移动机 器人导论[M].西安：西安交通大学出版社，2006.[3] Ji Meng, Sun Zhen-guo, Wang Jun. Robust back stepping control of tracked mobile robot [C]// Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering. United States, Newton, 2001, 4573： 235-243.［责任编辑:。