基于同時(shí)發(fā)射聲納環(huán)移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)

開發(fā)了一種能在未知環(huán)境下實(shí)現(xiàn)快速障礙檢測與障礙回避的基于同時(shí)發(fā)射聲納環(huán)移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。為了消除由于同時(shí)發(fā)射造成的串話干擾，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的過濾方法；并制作了由24個(gè)聲納傳感器組成的聲納環(huán)安裝到實(shí)際的移動機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)了掃描頻率最大可達(dá)到66 Hz的全景檢測。系統(tǒng)中應(yīng)用了動態(tài)窗口法來完成快速障礙回避的運(yùn)動規(guī)劃。實(shí)際的導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可用于室內(nèi)未知環(huán)境中的移動機(jī)器人快速導(dǎo)航。
關(guān) 鍵 詞 串話干擾; 移動機(jī)器人導(dǎo)航; 障礙回避; 障礙檢測; 同時(shí)發(fā)射; 聲納環(huán)

對工作于動態(tài)或未知環(huán)境中的自主移動機(jī)器人來說，障礙回避，即基于傳感器的導(dǎo)航，是其最主要的基本任務(wù)之一。聲納，也稱超聲傳感器，由于其價(jià)格便宜并具有良好的測距性能，是商業(yè)化的室內(nèi)機(jī)器人和研究用機(jī)器人最常用的傳感器之一。在移動機(jī)器人的應(yīng)用中，由多個(gè)聲納排成隊(duì)列，通常是組成聲納環(huán)，被用來獲取移動機(jī)器人周圍的全景信息。
利用聲納環(huán)進(jìn)行導(dǎo)航需要解決的主要問題是鄰近聲納傳感器間串話干擾對掃描頻率的限制。到目前為止，研究人員提出了很多方法來解決這個(gè)問題，可歸納為兩類：(1) 使用無規(guī)則發(fā)射(Irregular Firing)的方法來避免串話干擾的出現(xiàn)。如文獻(xiàn)[1]提出了EERUF快速超聲發(fā)射方法，使得單獨(dú)的聲納可以去除串話干擾，并實(shí)現(xiàn)了5~16 Hz的全景掃描。但是，這樣的頻率還不足以滿足目前移動機(jī)器人高速導(dǎo)航的要求。(2) 使用同時(shí)發(fā)射(Simultaneous Firing)的方法來完成一些有限的功能。如文獻(xiàn)[2]應(yīng)用了同時(shí)發(fā)射于一種快速移動機(jī)器人上來檢測當(dāng)高速運(yùn)動時(shí)其軌跡上是否存在障礙物，一旦檢測到有障礙物則把發(fā)射模式切換為依次發(fā)射(Sequential Firing)。
文獻(xiàn)[3]提出的DDM方法是一種實(shí)現(xiàn)障礙回避的典型方法，但由于該方法很耗費(fèi)時(shí)間，不適于應(yīng)用于具備高掃描頻率的導(dǎo)航系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[4-7]提出的方法中，導(dǎo)航系統(tǒng)采用了動態(tài)窗口法(Dynamic Window Approach，DWA)。這是考慮到該避障方法具有明了的物理意義表達(dá)，并能一步就快速計(jì)算出移動機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)速度和直線速度，從而能最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)中高掃描頻率聲納環(huán)的優(yōu)勢。為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)射聲納的通用化，本文提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的串話干擾去除方法，并將其實(shí)際應(yīng)用到一個(gè)由24個(gè)聲納傳感器組成、在2.5 m范圍內(nèi)能達(dá)到66 Hz掃描頻率的聲納環(huán)障礙檢測系統(tǒng)中。該檢測系統(tǒng)是本文提出的快速移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵組成。