一種室內(nèi)環(huán)境下服務(wù)機器人的避障方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種服務(wù)機器人避障方法，特別設(shè)及一種室內(nèi)環(huán)境下的服務(wù)機器人的 避障算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著傳感器等領(lǐng)域的技術(shù)進步，智能機器人系統(tǒng)開始應(yīng)用在服務(wù)行業(yè)中， 開辟了服務(wù)機器人資助服務(wù)的新領(lǐng)域。W往服務(wù)機器人的研究和開發(fā)主要在大學(xué)和研究生 中進行，而如今越來越受到企業(yè)界和商業(yè)界的重視。智能服務(wù)機器人是一個集環(huán)境感知、動 態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，具有環(huán)境、多傳感器融合、 特征提取，避障及環(huán)境映射等功能。
[0003] 室內(nèi)服務(wù)機器人的避障方法一般有=種：一、在已知環(huán)境信息（包括障礙物位置 信息）的基礎(chǔ)上，在避障算法中加入某種高級算法例如遺傳算法、勢場法等，預(yù)先設(shè)計出一 條從出發(fā)點到目標(biāo)點光滑且無碰撞的路徑，使機器人在行走過程中能夠有效避障；二、在未 知環(huán)境下，利用相關(guān)傳感器感測前方是否有障礙物，當(dāng)探測到障礙物存在時，機器人會改變 一定角度繼續(xù)前進或者朝遠離障礙物方向移動；=、在未知環(huán)境下，利用攝像頭或激光雷達 等高精度設(shè)備，邊尋路便繪制室內(nèi)環(huán)境地圖，當(dāng)遇到障礙物時，能準(zhǔn)確指示機器人避障。第 一種方法的優(yōu)點在于能夠利用高級算法預(yù)先對路徑進行設(shè)計，所生成的路徑不僅無碰撞， 還能滿足優(yōu)化路徑等要求；缺點在于必須對環(huán)境信息十分明確，在機器人行走前就對室內(nèi) 環(huán)境建好模型，不同的室內(nèi)環(huán)境下需要對算法的參數(shù)進行修改，難W滿足普通家庭服務(wù)機 器人的避障需要。第二種方法的優(yōu)點在于未知環(huán)境下實現(xiàn)避障要求，適應(yīng)性較好，能滿足大 多數(shù)室內(nèi)環(huán)境需要；缺點是難W規(guī)劃出一條較為合理的從出發(fā)點到目標(biāo)點的路徑，效率較 低。第=種方法的優(yōu)點在于攜帶高精度設(shè)備的機器人不僅能適應(yīng)大多數(shù)室內(nèi)環(huán)境要求，而 且避障效率較高；缺點是由于高精度設(shè)備價格昂貴，機器人成本較高，難W普及普通家庭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于超聲波傳感器的室內(nèi)服 務(wù)機器人的避障算法，利用超聲波傳感器感測障礙物，并根據(jù)返回信息控制機器人繞過障 礙物后朝目標(biāo)點方向移動，最終到達目標(biāo)點。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0006] 一種室內(nèi)環(huán)境下服務(wù)機器人的避障方法，其特征是，所述機器人設(shè)置為圓柱體，其 同一水平截面的邊緣上設(shè)置有若干個對稱分布的超聲波傳感器，最兩端的兩個超聲波傳感 器的連線經(jīng)過截面的圓屯、；包括如下步驟：
[0007] 1)根據(jù)機器人出發(fā)點和目標(biāo)點的全局坐標(biāo)，計算出機器人從初始方向轉(zhuǎn)至面朝目 標(biāo)點方向的轉(zhuǎn)角；
[0008] 2)機器人前進，根據(jù)除去兩側(cè)左右兩個超聲波傳感器之外的所有超聲波傳感器感 測前方障礙物信息；當(dāng)檢測到障礙物時，根據(jù)航位推測法返回的此時機器人的朝向角來選 擇轉(zhuǎn)向X軸方向還是Y軸方向，并判斷障礙物類型；所述障礙物類型包括靠墻障礙物和孤島 障礙物；
[0009] 3)根據(jù)步驟2)的判斷結(jié)果選擇繞過障礙物的方式，包括W下四種情況：31)選擇 轉(zhuǎn)向X軸正方向，障礙物為孤島障礙物：
[0010] 機器人繼續(xù)向前走一個機器人直徑長度的距離，記錄此時機器人全局坐標(biāo)；若Y 軸坐標(biāo)值^目標(biāo)點的Y軸坐標(biāo)值，則目標(biāo)點在此時機器人坐標(biāo)上方，機器人直接轉(zhuǎn)至面朝 目標(biāo)點方向，繼續(xù)前進，避障成功；若Y軸坐標(biāo)值〉目標(biāo)點的Y軸坐標(biāo)值，則目標(biāo)點在此時機 器人坐標(biāo)下方，機器人左轉(zhuǎn)90°，重新進行步驟2) ;32)選擇轉(zhuǎn)向Y軸正方向，障礙物為孤 島障礙物：
[0011] 機器人繼續(xù)向前走一個機器人直徑長度的距離，記錄此時機器人全局坐標(biāo)；若X 軸坐標(biāo)值蘭目標(biāo)點的X軸坐標(biāo)值，則目標(biāo)點在此時機器人坐標(biāo)上方，機器人直接轉(zhuǎn)至面朝 目標(biāo)點方向，繼續(xù)前進，避障成功；若X軸坐標(biāo)值〉目標(biāo)點的X軸坐標(biāo)值，則目標(biāo)點在此時機 器人坐標(biāo)下方，機器人右轉(zhuǎn)90°，重新進行步驟2) ;33)選擇轉(zhuǎn)向X軸正方向，障礙物為靠 墻障礙物：
[0012] 機器人立即停止移動并右轉(zhuǎn)180°;轉(zhuǎn)彎完成后機器人保存此時最右側(cè)超聲波傳 感器的返回值，并繼續(xù)向前移動，同時不斷返回最右側(cè)超聲波傳感器的測量值D5 ;當(dāng)返回 值變化幅度超過20cm時，機器人繼續(xù)向前走一個機器人直徑長度的距離后右轉(zhuǎn)90° ;轉(zhuǎn)彎 完成后機器人先前進值5+20cm)，記錄此時最右側(cè)超聲波傳感器的新測量值，并繼續(xù)向前移 動，同時不斷返回最右側(cè)超聲波傳感器的測量值；當(dāng)返回值變化幅度超過20cm時，機器人 繼續(xù)向前走一個機器人直徑長度的距離，記錄此時機器人全局坐標(biāo)，機器人直接轉(zhuǎn)至面朝 目標(biāo)點方向，繼續(xù)前進，避障成功；
[0013] 34)選擇轉(zhuǎn)向Y軸正方向，障礙物為靠墻障礙物：
[0014] 機器人立即停止移動并左轉(zhuǎn)180° ;轉(zhuǎn)彎完成后機器人保存此時最左側(cè)超聲波傳 感器的返回值D0,并繼續(xù)向前移動，同時不斷返回最左側(cè)超聲波傳感器的測量值；當(dāng)返回 值變化幅度超過20cm時，機器人繼續(xù)向前走一個機器人直徑長度的距離后左轉(zhuǎn)90° ;轉(zhuǎn)彎 完成后機器人先前進值0+20cm)，記錄此時最左側(cè)超聲波傳感器的新測量值，并繼續(xù)向前移 動，同時不斷返回最左側(cè)超聲波傳感器的測量值；當(dāng)返回值變化幅度超過20cm時，機器人 繼續(xù)向前走一個機器人直徑長度的距離，記錄此時機器人全局坐標(biāo)，機器人直接轉(zhuǎn)至面朝 目標(biāo)點方向，繼續(xù)前進，避障成功。
[0015] 前述的一種室內(nèi)環(huán)境下服務(wù)機器人的避障方法，其特征是，所述步驟1)中出發(fā)點 為（Xe，y。)，目標(biāo)點為（Xg，yg)，機器人從初始朝向轉(zhuǎn)至面朝目標(biāo)點方向的轉(zhuǎn)角0。。
[0016] 前述的一種室內(nèi)環(huán)境下服務(wù)機器人的避障方法，其特征是，所述步驟2)中航位推 測法返回的此時機器人的朝向角記為化，The[0°，90° ]根據(jù)化來選擇轉(zhuǎn)向X軸方向還 是Y軸方向，判斷方法如下：當(dāng)0°《化<45°，機器人選擇轉(zhuǎn)向全局坐標(biāo)系的X軸正方向， 右轉(zhuǎn)化；當(dāng)45?！痘?0。，機器人選擇轉(zhuǎn)向全局坐標(biāo)系的Y軸正方向，左轉(zhuǎn)90。-Th。
[0017]前述的一種室內(nèi)環(huán)境下服務(wù)機器人的避障方法，其特征是，所述步驟2)中障礙物 類型判斷方法如下：41)機器人轉(zhuǎn)至全局坐標(biāo)系的X或Y軸正方向后繼續(xù)向前移動，同時不 斷返回最左側(cè)或最右側(cè)超聲波傳感器的測量值；若在測量值沒有變化前，中間傳感器檢測 到前方有障礙物，即判斷該障礙物為墻壁，則機器人先前所遇障礙物為靠墻障礙物；42)機 器人轉(zhuǎn)至全局坐標(biāo)系的X或Y軸正方向后繼續(xù)向前移動，同時不斷返回最左側(cè)或最右側(cè)超 聲波傳感器的測量值；若在前方未檢測到障礙物，返回值變化幅度超過20cm，則視先前所 遇障礙物為孤島障礙物。
[0018] 前述的一種室內(nèi)環(huán)境下服務(wù)機器人的避障方法，其特征是，所述超聲波傳感器的 個數(shù)設(shè)置為六個。
[0019] 本發(fā)明所達到的有益效果：在未知環(huán)境下，適應(yīng)性較好；由于室內(nèi)環(huán)境較簡單對 精確度要求不高，選用經(jīng)濟型傳感器，能夠降低成本，易于普及普通家庭；同時本避障算法 簡單，容易實現(xiàn)，使用方便。
【附圖說明】
[0020] 圖1為清潔機器人的各超聲波傳感器分布及自身坐標(biāo)系圖；
[0021] 圖2為機器人在室內(nèi)環(huán)境下全局坐標(biāo)系圖；
[0022]圖3為機器人轉(zhuǎn)角01的示意圖；
[0023] 圖4為機器人利用超聲波傳感器避障的流程圖；
[0024] 圖5為選擇轉(zhuǎn)向X軸正方向，障礙物為孤島障礙物下機器人避障示意圖；
[00巧]圖6為選擇轉(zhuǎn)向X軸正方向，障礙物為孤島障礙物下機器人另一種避障示意圖； 陽0%] 圖7為選擇轉(zhuǎn)向Y軸正方向，障礙物為孤島障礙物下機器人避障示意圖；
[0027] 圖8為選擇轉(zhuǎn)向Y軸正方向，障礙物為孤島障礙物下機器人另一種避障示意圖；
[0028] 圖9為選擇轉(zhuǎn)向X軸正方向，障礙物為靠墻障礙物下機器人避障示意圖；
[0029] 圖10為選擇轉(zhuǎn)向Y軸正方向，障礙物為靠墻障礙物下機器人避障示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。W下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能W此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0031] 本發(fā)明設(shè)及一種室內(nèi)環(huán)境下服務(wù)機器人的避障方法，其中，所使用的清潔機器人 設(shè)置為圓柱體，其同一水平截面的邊緣上設(shè)置有若干個對稱分布的超聲波傳感器，最兩端 的兩個超聲波傳感器的連線經(jīng)過截面的圓屯、。在實施例中，前方半圓柱面上對稱分布著 do~d5共6個超聲波傳感器，如圖1所示，機器人自身坐標(biāo)系是W俯視圖圓屯、為坐標(biāo)原點， 機器人正前方為X'軸正方向，垂直于X'軸且指向機器人左側(cè)為Y'軸正方向。
[0032] 具體操作步驟如下：
[0033] 1)根據(jù)機器人出發(fā)點和目標(biāo)點的全局坐標(biāo)，計算出機器人從初始方向轉(zhuǎn)至面朝目 標(biāo)點方向的轉(zhuǎn)角；出發(fā)點為（xe，y。)，目標(biāo)點為（Xg，yg)，機器人從初始朝向轉(zhuǎn)至面朝目標(biāo)點 方向的轉(zhuǎn)角0。；
[0034] 運里包括W下步驟中，機器人從當(dāng)前朝向轉(zhuǎn)至面朝目標(biāo)點方向的轉(zhuǎn)角e1的計算 方法如下：
[0035]
[0036]其中01?。?90。，90° )，01取負(fù)值時機器人向左轉(zhuǎn)，01取正值時機器人向右 轉(zhuǎn)。
[0037]具體如圖3所示，機器人左右輪轉(zhuǎn)速分別為CO郝COf(順時針CO取正，逆時針CO 取負(fù)），機器人兩輪間距以機器人車輪直徑為d，機器人初始朝向相對于全局坐標(biāo)X軸正方 向夾角化。為保證定位要求，W輪距中點為基準(zhǔn)點，則為達到機器人轉(zhuǎn)角0 1，計算公式如 下： 陽03引設(shè)左右輪線速度為Vi和Vf，有
[0039]
W40] 設(shè)轉(zhuǎn)角0 1所對弧長為H，有[0041 ]
[0042]則左輪轉(zhuǎn)彎時間T，有
[0043]
[0044] 同理，右輪
[0045]
[0046] 為保證基準(zhǔn)點即輪距中點不動，|?i| = |?J，且Ti=Tf。即左右輪W相同的轉(zhuǎn) 速轉(zhuǎn)奇
即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動目1的角度（當(dāng)0 1〉0時，《1<〇,《f〉0 ;當(dāng)目1<0時， ?1〉0,《r<0 ;當(dāng)目 1= 0時，《 1〉0,《r〉0)。
[0047] 2)機器人前進，根據(jù)前方四個超聲波傳感器dl~d4感測前方障礙物信息；當(dāng)檢 測到障礙物時，根據(jù)航位推測法返回的此時機器人的朝向角來選擇轉(zhuǎn)向X軸方向還是Y軸 方向，并判斷障礙物類型，障礙物類型包括靠墻障礙物和孤島障礙物：
[0048] 21)通過航位推測法返回的此時機器人的朝向角記為化，T