摘要：針對傳統(tǒng)的移動機器人自主環(huán)境探索算法復(fù)雜度高的缺點，提出了一種未知環(huán)境通路拓撲圖的自主建立方案。該方案利用區(qū)域劃分、超聲波測距法確定通路點，利用里程計獲得通路點坐標，再根據(jù)通路點間的關(guān)聯(lián)性構(gòu)建全局通路拓撲圖。實際應(yīng)用表明，該方法具有控制結(jié)構(gòu)簡單、算法的復(fù)雜度低的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：移動機器人；超聲波測距；通路點；拓撲圖

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）02-0376-03

移動機器人是集環(huán)境感知、路徑規(guī)劃與導(dǎo)航、行為執(zhí)行等功能于一體的綜合系統(tǒng)。而在未知環(huán)境下，由于缺少環(huán)境的面積、形狀、障礙物等信息的支持，這就要求移動機器人必須要具備自主環(huán)境識別的能力并構(gòu)建全局通路點拓撲圖從而進行路徑規(guī)劃與導(dǎo)航。文獻[1-3]提出了幾種自主環(huán)境探索的方法，但均只注重于算法的有效性和可靠性，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、算法的復(fù)雜度很高。為此，該文提出了一種移動機器人對未知環(huán)境全局通路拓撲圖建立方法。該方法對未知壞境進行區(qū)域劃分，利用超聲波測距實時提取區(qū)域環(huán)境信息，獲得區(qū)域環(huán)境通路點，利用羅盤里程計獲得通路點坐標，再根據(jù)區(qū)域環(huán)境通路點間的拓撲連接關(guān)系構(gòu)建近似完整的未知環(huán)境全局拓撲圖，以期在保證算法可靠性的同時降低算法的復(fù)雜度。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

移動機器人平臺主要由微控制器、電機驅(qū)動模塊（L293）、直流電機、超聲波測距電路和里程計組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動機器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3個超聲波測距電路分別安裝在移動機器人的前方、左側(cè)和右側(cè)，分別負責檢測移動機器人與前方、左側(cè)、右側(cè)障礙物的距離并傳送給微控制器。微處理器根據(jù)障礙物的位置進行區(qū)域路徑規(guī)劃、設(shè)定下一個通路點，并驅(qū)動電機到達該通路點。里程計根據(jù)行進距離確定當前通路點與前一個通路點的相對坐標。然后重復(fù)以上動作，尋找下一個通路點。最后，微處理器根據(jù)各通路點的關(guān)系構(gòu)建全局通路點拓撲圖。

2 傳感器模型

機器人在空間的位置、方向、環(huán)境信息的獲取是路徑規(guī)劃的前提和保障，這些信息的獲得是依靠傳感器來完成的。實驗中，移動機器人系統(tǒng)裝配的主要傳感器有：超聲波測距傳感器和里程計。

2.1超聲波測距傳感器

本文選用超聲波傳感器實現(xiàn)移動機器人測距功能。超聲波傳感器通過測得聲源和目標物體之間的聲波往返時間，便可以求得目標物體距離機器人的距離。

其工作原理是[2]：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來、超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時間差ΔT，然后根據(jù)下式求出距離，其中C為超聲波波速即聲速，常溫下取值為340m/s。波速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。

超聲波信號在空氣中傳播會有衰減，隨著傳播距離的增大，衰減也會越來越大，回波信號也越來越微弱。并且會有干擾疊加在返回信號中，因此需要對返回信號進行放大、濾波、比較等處理。該文采用CX20106芯片來實現(xiàn)上述過程，確保超聲波測距的可靠性。CX20106芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CX20106芯片結(jié)構(gòu)圖

2.2 里程計

里程計主要原理是通過安裝在移動機器人輪子上的光電編碼器對輪子在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的弧度進行檢測，并利用航跡推算法估算出機器人的實時相對位置。假設(shè)車輪半徑為一光電編碼器為p線/轉(zhuǎn)，△t時間內(nèi)光電編碼器輸出的脈沖數(shù)為N，則機器人輪子在出時間

內(nèi)移動的距離△d（弧度）為：

（1）

假設(shè)移動機器人從當前位置——設(shè)該點坐標為（0，0），移動到位置時，左右兩個輪子的移動距離分別為和，且兩輪間距為，則位置點坐標為：

（2）

（3）

值得注意的是這種里程計存在累積誤差，且隨著機器人移動距離和航向角的增加，其累積誤差將越來越大，因此測量精度較差。

3 自主環(huán)境探索與通路點拓撲圖構(gòu)建

移動機器人對所在未知環(huán)境進行自主探索以獲取環(huán)境信息和構(gòu)建環(huán)境地圖。與傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃[3-4]相比較，自主環(huán)境探索并不是簡單的使機器人到達某一特定的目標點，而是要基于傳感器所獲知的環(huán)境信息來指導(dǎo)機器人在未知區(qū)域不斷的到達一系列的通路點，直至完全遍歷，以便構(gòu)建整個未知環(huán)境通路點拓撲圖。

3.1環(huán)境通路點的探索

移動機器人未知環(huán)境的探索遵循以下規(guī)則：

1）將未知環(huán)境分割成面積為（其中r為超聲波傳感器的有效測量距離）的若干區(qū)域，設(shè)定機器人初始位置坐標為（0，0）。

2）根據(jù)前、左、右三個不同的超聲波傳感器測量結(jié)果進行判斷，如果三個方向的障礙物與機器人距離均大于預(yù)先設(shè)定的門限距離（考慮到機器人的轉(zhuǎn)向需要，該門限距離m一般設(shè)置為轉(zhuǎn)向半徑的二倍，其中m

3）導(dǎo)向方案采用前方導(dǎo)向最優(yōu)（然后左、右、后方的導(dǎo)向順序）、距離最優(yōu)原則。

4）向下一個通路點行進過程中，左右方向連續(xù)檢測障礙。一旦測得某一側(cè)r范圍內(nèi)無障礙，讀取里程表數(shù)值；再次出現(xiàn)障礙時再讀取里程表數(shù)值以獲得無障礙區(qū)域中心點坐標。若無障礙區(qū)域?qū)挾却笥陂T限距離，存儲無障礙區(qū)域中心點坐標并設(shè)為一個新通路點，但并不停留（即該通路點未探索）。

5）如果某一通路點前、左、右三個方向無新通路點，則返回最近的未探測通路點。

6）通路點坐標通過里程計計算。為避免里程計的累積誤差，每到達一個通路點對里程計清零。即通路點坐標是通過里程計計算的與前一個通路點的相對坐標。

隨著通路點狀態(tài)不斷被標記，移動機器人完成對所處未知環(huán)境的遍歷，當整個環(huán)境中不存在尚未探索的探索通路點時，則整個環(huán)境自主探索過程結(jié)束，環(huán)境通路點的探索流程圖3所示。

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圖3 環(huán)境通路點的探索流程

3.2 通路點拓撲圖結(jié)構(gòu)

當移動機器人完成對所處未知環(huán)境的遍歷后，根據(jù)區(qū)域環(huán)境通路點間的拓撲連接關(guān)系即可構(gòu)建未知環(huán)境全局拓撲圖。

實際應(yīng)用中，為了便于通路點拓撲圖的構(gòu)建及維護，全局通路點可按表1所示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行存儲。

微處理器獲得每一個通路點坐標及與之聯(lián)通的通路點編號，即獲得了移動機器人所處未知環(huán)境的全局拓撲圖。在后續(xù)的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航中就可以計算出任意兩點間存在的通路，并計算出每條路徑的長度，從而做出最優(yōu)路徑選擇。

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了一種多傳感器移動機器人系統(tǒng)，并以此為平臺，提出了一種未知環(huán)境全局通路拓撲圖的自主建立方案。該方案對未知壞境進行區(qū)域劃分，利用超聲波測距實時提取區(qū)域環(huán)境信息，獲得區(qū)域環(huán)境通路點；利用羅盤里程計確定通路點坐標，再根據(jù)區(qū)域環(huán)境通路點間的拓撲連接關(guān)系構(gòu)建近似完整的未知環(huán)境全局通路拓撲圖，為后續(xù)的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航提供保障。實驗表明，該方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、通路點算法的復(fù)雜度較低的優(yōu)點。

參考文獻：

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