苏华 徐善针 王金祥

摘 要：本文提出一种基于激光传感器的机器人避障方法，该方法通过激光传感器获取障碍物的信息，进而计算出障碍物与机器人的距离与方位信息，根据三态避障法将机器人分为初级避障态、沿墙态、紧急避障态。实验效果表明该方法实时性强，鲁棒性好。

关键词：机器人避障;初级避障态;沿墙态;紧急避障

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.118

1 机器人基本避障方法研究

随着人类对机器人避障领域的深入研究，现今已产生了许多成熟的机器人避障方法。例如经典的超声波避障方法，声波传感器定向的发射和接收超声波，根据检测到的情况实现避障。此外还有得到广泛应用的视觉图像避障法，通过搭载摄像头的方法感知环境图像，使用图像处理技术对其进行分析处理，以此提供环境信息，完成障碍物检测。本文基于激光传感器，提出了一种三态避障法。

2 本文避障方法

三态避障方法将避障系统分为三种状态，初级避障态、沿墙态、紧急避障态。针对圆形轮式机器人，机器人前方搭载激光测距仪，通过激光传感器获得机身与障碍物的距离和角度信息，判断当前机器人所处的状态。然后根据所处的状态，机器人按照一定的算法进行避障行走。

2.1 初级避障态

初级避障态是为了提高避障的流畅度并且能够与沿墙态衔接的一个状态。如果障碍物进入了初级避障范围，那么机器人会以圆弧运动的形式接近抽象于障碍物方位的假想墙，若该障碍物是墙壁，则与假想墙吻合，后期运动交给沿墙算法处理。若该障碍物不是墙壁，则后期会根据检测出的数据改变运动轨迹或者切换系统状态。

設初级避障态中机身与障碍物的最短距离为，初级避障态让机器人走一个半径为的圆弧路径。如果假想墙存在，那么之后传感器每次检测出的距离和角度都可以计算出相同的值，机器人就会走一个圆弧路径直到进入沿墙态。若不存在，则传感器每次扫描后都会计算出一个新的值，这也就意味着机器人会走一个类抛物线的路径。

2.2 紧急避障态

在紧急避障态中，机器人和障碍物距离已经非常接近，继续运动下去可能会发生碰撞。因此机器人在进入该状态后，应该立刻停止运动，然后进行原地转向，直到进入其它状态。

因为激光传感器是存在盲区的，所以机器人在原地旋转时，障碍物可能会进入传感器的盲区。为了保证障碍物不会与机器人发生碰撞，障碍物在盲区时与机身最近的距离要大于零。设紧急避障态的阈值为，此阈值要保证障碍物离机器人的距离大于零的同时还应保证机身前的传感器不会与障碍物发生碰撞。另外机器人在运行中，采集和处理数据以及控制电机都需要时间而且机器人在运动时还有一定的惯性，所以应当将阈值设大一些，留有一定的缓冲距离。

2.3 沿墙态

沿墙态的设置是为了提高机器人避障的稳定性，防止机器人乱走。在该状态下，机器人始终沿着墙壁走，墙起到了一个引导的作用，通过这种方法可以解决避障死锁的问题。

沿墙态中，机器人始终与墙平行并保持一定距离，但是要让机器人完全走出直线是不太可能的，所以需要在运动过程中实时地调整姿态。

在沿墙壁前进的过程中，激光传感器需要不断采集30度和150度角方向机身与墙的距离，然后与刚进入沿墙态时30度和150度方向的初始距离进行对比，如果比初始距离小，说明机器人正在靠近墙，需要向远离墙一侧调整。反之，向接近墙的一侧调整。

2.4 各种状态转换策略

首先传感器不断采集障碍物与机器人的距离，并计算出机身与障碍物距离。当<=时，达到初级避障态的阈值，机器人进入避障状态。之后根据距离和角度来判断具体进入了哪种避障状态。

若<=，说明机器人已经到达了紧急避障态的阈值。机器人会进行原地旋转，直到>脱离紧急避障态。

若<<=，机器人则可能处于初级避障态或者沿墙态。如果<<=，这时并没有达到沿墙态的阈值，机器人处于初级避障态。当<且在0度<<5度或170度<<180度时，探测到的障碍物与机身距离和不满足三角关系，说明机器人没有和墙保持平行，所以依然处于初级避障态。

只有当<且0度<<5度或170度<<180度满足三角关系时，才进入沿墙态。

3 实验结果与分析

实验机器人左右轮距为34cm，后方一个万向从动轮。紧急避障态的阈值必须保证侧面无碰撞，必须使必须大于0，带入数据后可得阈值。机身前方的激光传感器长度为145mm，所以也能保证传感器不会受到碰撞。但是机器人在获取距离数据与控制电机运动有一个延迟，所以要适当提高阈值，通过实验我们选取较为合适。

初级避障态的阈值涉及到机器人是否会进入避障状态，所以这个阈值不能能够太大，阈值太大则会让机器人太过于敏感，同时也要考虑到会影响到，如果阈值太小会让圆弧轨迹半径变小，进而导致拐弯速度上升影响精度。所以这里取一个中间值，初级避障距离阈值。

沿墙态需要与初级避障态进行对接，还需要考虑机身会在没有完全平行（偏向墙壁一侧）但接近平行于墙壁的状态下进入沿墙态，所以要略大于，假设这个值为310mm，另外要考虑机器人的半径，最终经过实验我们找到了一个效果较好得阈值。

实验结果表明，机器人能够平滑的地避开非墙面的障碍物，机器人可以平缓地贴近墙面行走，在机器人进入紧急避障态时可以紧急避障，在不同状态间可以自主转换。总体来看，基于激光传感器的三态避障法实用可行，具有实时性强，鲁棒性好的特点。