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機(jī)器人

基于服務(wù)機(jī)器人的避障能力測試方法研究

來源:機(jī)器人國評中心2020-04-16 我要評論(0 )   

當(dāng)今科技高速發(fā)展的時(shí)代,人們越來越需要機(jī)器人去替代人來完成一些危險(xiǎn)的任務(wù),例如在科學(xué)探索以及救災(zāi)搶險(xiǎn)中,經(jīng)常會(huì)遇到一些危險(xiǎn)或者人類無法輕易到達(dá)的地方。機(jī)器人...

當(dāng)今科技高速發(fā)展的時(shí)代,人們越來越需要機(jī)器人去替代人來完成一些危險(xiǎn)的任務(wù),例如在科學(xué)探索以及救災(zāi)搶險(xiǎn)中,經(jīng)常會(huì)遇到一些危險(xiǎn)或者人類無法輕易到達(dá)的地方。機(jī)器人避障是機(jī)器人技術(shù)中一項(xiàng)最基礎(chǔ)也是關(guān)鍵的功能,它旨在讓機(jī)器人行動(dòng)過程中保證不發(fā)生碰撞,避免結(jié)構(gòu)的過度老化、脫落。機(jī)器人避障技術(shù)的核心包括了傳感器的選擇和規(guī)劃算法的選擇。


一、機(jī)器人常用避障傳感器

機(jī)器人避障的第一步,是讓機(jī)器人能夠感知周圍環(huán)境。一般來說,我們需要通過傳感器給機(jī)器人提供周圍環(huán)境的參數(shù)指標(biāo)。例如障礙物的尺寸、形狀和位置等。目前避障使用的傳感器各種各樣,其特點(diǎn)和適用范圍也不同。根據(jù)不同的原理,可分為:超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器和視覺傳感器等。

1)超聲波傳感器

超聲波傳感器的原理是:先發(fā)出超聲波,然后檢測反射波的延遲,根據(jù)聲速計(jì)算目標(biāo)與物體之間的距離。由于超聲波在空氣中的速度和濕度,溫度有關(guān),在實(shí)踐中,需要考慮到這些因素的變化。另外,超聲波傳感器的有效距離,一般小于10m,并且會(huì)有最小約幾十毫米的檢測盲點(diǎn),它只能用于小型項(xiàng)目。超聲波傳感器成本低廉,技術(shù)成熟,原理簡單,是最常用的傳感器。

2)紅外傳感器

紅外傳感器大多基于三角測量原理。發(fā)射器以一定的角度向待測物體發(fā)射紅外光束,被物體反射回來后用另一個(gè)接收器檢測到,會(huì)得到一個(gè)偏移值。利用幾何關(guān)系可以根據(jù)發(fā)射角度計(jì)算得到傳感器與物體的距離。常見的紅外傳感器的測量距離都比較近,小于超聲波傳感器的距離。另外,對于透明的物體(例如玻璃等)紅外線會(huì)穿透的材質(zhì),紅外傳感器是無法檢測距離的。

3)激光傳感器

激光傳感器原理類似前一個(gè)方法,只是用激光替代了紅外線來測量距離。常用的測距方式是由發(fā)射器發(fā)出持續(xù)時(shí)間很短的脈沖激光,由接收器接收返回的信號,根據(jù)入射波與反射波的延時(shí),測出與目標(biāo)的實(shí)際距離。由于光速比聲速快很多,這種測量方式往往用于大型測量,如航天研究中,而并不適合對精度要求很高的領(lǐng)域。

4)視覺傳感器

視覺傳感器利用多個(gè)傳感器聯(lián)合使用,通過復(fù)雜的算法模擬計(jì)算出物體的形狀、速度、距離等。這種方法雖然探測范圍比較寬闊,獲取信息量也大,但是對機(jī)器人內(nèi)置的處理器的要求比較高,且由于處理時(shí)間的存在,導(dǎo)致對環(huán)境的實(shí)時(shí)反應(yīng)差。此外,它也會(huì)收到霧霾等光學(xué)因素的干擾。


二、服務(wù)機(jī)器人常用避障算法

目前移動(dòng)類服務(wù)機(jī)器人的避障根據(jù)環(huán)境信息的掌握程度可以分為障礙物信息已知、障礙物信息部分未知或完全未知兩種。傳統(tǒng)避障方法主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無碰撞全局路徑規(guī)劃,主要采用人工勢場法、柵格法、自由空間法等算法。傳統(tǒng)避障方法對障礙物信息己知時(shí)的避障問題處理尚可,但當(dāng)障礙信息未知或者障礙是可移動(dòng)的時(shí)候,傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法一般不能很好的解決避障問題或者根本不能避障。而實(shí)際生活中,絕大多數(shù)的情況下,機(jī)器人所處的環(huán)境都是動(dòng)態(tài)的、可變的、未知的,為了解決上述問題,人們引入了計(jì)算機(jī)和人工智能等領(lǐng)域的一些算法。同時(shí)得益于處理器計(jì)算能力的提高及傳感器技術(shù)的發(fā)展,在機(jī)器人平臺上進(jìn)行一些復(fù)雜算法的運(yùn)算也變得容易,由此產(chǎn)生了一系列智能避障方法,比較熱門的有:遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法等。


三、服務(wù)機(jī)器人避障能力測試

服務(wù)機(jī)器人避障能力測試可分為兩類:障礙物探測測試和障礙物規(guī)避測試。

1、障礙物探測測試

本測試的目的是判定機(jī)器人針對不同幾何形狀和材質(zhì)障礙物時(shí)的探測能力和障礙物距離檢測能力。障礙物參數(shù)一般基于制造商指定的最小和最大傳感范圍確定,機(jī)器人未必能識別到邊界參數(shù)障礙物。

1)測試環(huán)境

測試區(qū)域應(yīng)足夠大,可容納機(jī)器人和制造商聲明的最大規(guī)定范圍的障礙物,如圖所示。機(jī)器人與障礙物之間不應(yīng)有任何障礙物。測試環(huán)境的墻壁不應(yīng)該有任何標(biāo)記。

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圖 1 障礙物探測的測試布局

2)測試方法

測試時(shí)可包含六個(gè)規(guī)格障礙物,分別是松木墻面、玻璃墻面、松木桌、剛性桌、大圓柱、小圓柱。每次測試遵循以下測試方法:

A.   機(jī)器人處于初始位姿;

B.   將障礙物放置在制造商聲明的最大規(guī)定范圍后,由機(jī)器人檢測障礙物的位置;

C.   將障礙物放置在最小規(guī)定范圍后,由機(jī)器人測量障礙物的位置。

D.   將障礙物放置在相對于機(jī)器人的視線逆時(shí)針45°方向的直線上,重復(fù)步驟B和C。每次測量完成后,逆時(shí)針增加45°角,重復(fù)步驟D。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)初始位置時(shí),程序停止。調(diào)整障礙物的方向,使其最大的一面面向機(jī)器人。通過移動(dòng)機(jī)器人代替障礙物,可以實(shí)現(xiàn)障礙物的相對定位。

2、障礙物規(guī)避測試

本測試的目的是判定機(jī)器人通過停止或執(zhí)行適當(dāng)?shù)囊?guī)避動(dòng)作來防止與靜態(tài)或動(dòng)態(tài)障礙物碰撞的能力。在障礙物與機(jī)器人的任何部分發(fā)生物理接觸前,機(jī)器人必須停止。如發(fā)生避障動(dòng)作,應(yīng)按照制造商的規(guī)定,保持障礙物與機(jī)器人任何部件之間的最小距離。

1)測試環(huán)境

將機(jī)器人放置在初始位置,距離目標(biāo)位置9個(gè)長度單位,平鋪一層,如下圖所示。靜態(tài)障礙物和動(dòng)態(tài)障礙物的動(dòng)作如下圖所示:

動(dòng)作1:將障礙物放置在初始位置和目標(biāo)位置之間,保持靜止;

動(dòng)作2:以與機(jī)器人運(yùn)行路徑垂直90°的方向,將障礙物移動(dòng)到位置P2;

動(dòng)作3:以與機(jī)器人運(yùn)行路徑垂直45°的方向,將障礙物移動(dòng)到位置P3;

動(dòng)作4:在機(jī)器人運(yùn)行路徑上,將障礙物移動(dòng)到位置P1,以阻止機(jī)器人從初始位置到達(dá)目標(biāo)位置。

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圖 2 測試布局與障礙物動(dòng)作(俯視圖)

為了體現(xiàn)人類典型的行走速度,建議障礙物的速度為1.6m/s,可采用移動(dòng)平臺或移動(dòng)機(jī)器人替代。障礙物的動(dòng)作須與機(jī)器人的動(dòng)作同步,使其同時(shí)達(dá)到P1的位置。

2)測試方法

該測試可根據(jù)以上描述形成十種測試用例,每次測試應(yīng)遵循以下測試方法:

A.   將機(jī)器人放置在初始位置P0,以制造商規(guī)定的給定場景額定速度和負(fù)載移動(dòng)到目標(biāo)位置PG。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置時(shí),記錄運(yùn)行時(shí)間;

B.   在每次進(jìn)行障礙動(dòng)作1、2、3或4時(shí),將機(jī)器人放置在初始位置P0,將障礙物放置在障礙動(dòng)作初始位置;

C.   使機(jī)器人以制造商規(guī)定的給定場景額定速度和負(fù)載移動(dòng)到目標(biāo)位置PG,同時(shí)使障礙物分別依據(jù)障礙動(dòng)作2、3或4要求移動(dòng)至終點(diǎn)位置。障礙物的初始位置可以沿直線路徑調(diào)整,以保證在障礙物以1.6 m/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí),機(jī)器人和障礙物同時(shí)達(dá)到P1位置;

D.   當(dāng)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置時(shí),記錄運(yùn)行時(shí)間。

如果機(jī)器人沒有達(dá)到目標(biāo)位置或在行進(jìn)過程中碰到障礙物,則視為試驗(yàn)失敗。針對一個(gè)特定的測試用例,從一開始至連續(xù)三次試驗(yàn)成功后,視為避障成功。如果前三次試驗(yàn)中至少有一次失敗,則應(yīng)將此測試視為失敗。選取前三次試驗(yàn)成功后的平均無障礙運(yùn)行時(shí)間為無障礙運(yùn)行時(shí)間T0。選取前三次成功試驗(yàn)的最大帶障礙運(yùn)行時(shí)間為帶障礙運(yùn)行時(shí)間T1。延遲因子可定義為T1/T0的值。


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