CN107450546A - 基于gps和超声波雷达的机器人避障方法 - Google Patents

基于gps和超声波雷达的机器人避障方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于GPS和超声波雷达的机器人避障方法，在该方法中GPS定位单元可以准确的获取机器人的位置，提供机器人所在大环境内的静态障碍物信息，而超声波雷达可以感知机器人周边障碍物距离，获得的数据仅限于机器人周围环境的局部信息，通过GPS定位单元和超声波雷达数据的配合使用，在GPS定位单元粗略确定位置的情况下利用超声波数据进行避障，能够有效避开其周边的所有动态及静态障碍物，从而达到安全、准确的到达目标位置。而且由于超声波雷达可以分布于机器人周围，使机器人可以时刻感知周围环境中的障碍而不发生碰撞，这在一定程度上弥补了GPS定位单元由于其他复杂原因导致的定位精度不足、无法避开动态障碍物的缺点。

Description

基于GPS和超声波雷达的机器人避障方法
技术领域
发明涉及一种避障方法，具体涉及一种基于GPS定位***和超声波雷达联合避障方法。
背景技术
随着计算能力和传感器等技术的不断增强，室外巡逻型和安防型机器人的功能也变得日益增大，与此同时，多传感器数据的混合使用也变得日益多样。此时，机器人不再局限于单一的传感器的使用，而可以通过多传感器数据的相互配合从而获得更加准备的环境以及位姿信息。多传感器数据的相互配合使用作为机器人定位的重要手段，需要比较强的计算能力，现在计算机的发展正好为此条件提供了良好的基础，在此基础之上机器视觉的使用逐渐火热。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于GPS定位***和超声波雷达的机器人避障方法，该方法通过GPS对机器人自身的位置进行粗略定位，再配合超声波雷达的数据信息，满足室外安防机器人定位和避障的需要，为机器人导航、避障提供保障。
所述的基于GPS和超声波雷达的机器人避障方法具体步骤为：
(1)设置在机器人上的GPS定位单元实时获取机器人当前的位姿信息并发送给控制单元，所述位姿信息指机器人的航向和位置；设置在机器人上的超声波雷达实时扫描其周围的环境信息并发送给控制单元；
(2)所述控制单元接收到GPS定位单元发送来的位姿信息后，通过其内部预存的地图确定机器人所在位置周边的静态障碍物；
所述控制单元接收到超声波雷达发送来的环境信息后，获得该扫描范围内机器人周围所有障碍物的方位及距离；所述障碍物包括静态障碍物和动态障碍物；
(3)所述控制单元依据机器人的航向、依据其内部预存的地图所确定的机器人所在位置周边的静态障碍物以及设定的目标位置，规划机器人从当前位置到设定的目标位置的全局路线，该条全局路线避开依据其内部预存的地图所确定的机器人所在位置周边的静态障碍物；
(4)所述控制控制单元每隔设定时间规划一次局部路线，局部路线的规划方法为：
所述控制单元依据设定的机器人的行走速度、周围所有障碍物的方位及距离，规划局部路线，所述局部路线为机器人在设定时间内避开由超声波雷达检测到的其周围所有障碍物的所有路线中，与设定的局部目标点距离最短的路线；若该局部路线与步骤(3)中所规划的全局路线重合，则不对全局路线进行修正，所述控制单元依据该全局路线控制机器人行走，行走到局部目标点后进行下一次局部路线的规划；若不重合，则所述控制单元依据该局部路线控制机器人行走，行走到局部目标点后返回至步骤(3)重新规划全局路线。
在所述机器人上前方、后方、左右两侧相同高度部位各放置一个以上超声波雷达。
当所述GPS信号丢失时，所述控制单元直接依据所规划的局部路线控制机器人行走。
有益效果：
GPS定位单元可以准确的获取机器人的位置，使控制单元能够依此获得其周边的静态障碍物；而超声波雷达可以感知机器人周边所有障碍物(包括静态障碍物和动态障碍物)的方位和距离，将GPS和超声波雷达相结合，在GPS定位单元粗略确定位置的情况下利用超声波数据进行避障，能够有效避开其周边的所有动态及静态障碍物，从而达到安全、准确的到达目标位置。
本发明中，利用GPS和超声波雷达的数据融合，保障了机器人运行过程的安全，降低了机器人的损坏风险，并且可以在GPS失效的情况下利用超声波雷达完成任务，能够满足室外安防机器人定位和避障的需要，为机器人导航、避障提供保障。
超声波雷达本身易于安装，并且可按照需求增加或减少数量，因此具有较好的可移植性，适用范围较广。而且超声波雷达数据可以与其他障碍物检测传感器返回数据结合使用，使机器人的定位精度进一步提高，且具有较高的拓展性。
附图说明
图1为该方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供一种基于GPS和超声波雷达的机器人避障方法，将GPS和超声波雷达的数据融合保障机器人运行过程中能够有效避开障碍物，并且可以在GPS失效的情况下利用超声波雷达完成巡逻任务，以满足室外安防机器人定位和避障的需要，为机器人导航、避障提供保障。
该方法所用的***主要包括：设置在机器人上的GPS定位单元、超声波雷达和控制单元。其中超声波雷达的布放方式是根据超声波雷达的检测模型和原理，确定其检测距离和范围，然后在机器人身上相同高度部位沿其周向放置多个，考虑到机器人本身的安全问题，在机器人前方放置至少四个超声波雷达，两侧至少各一个，后方至少两个。GPS定位单元采用差分GPS的天线，差分GPS的天线安装直线与机器人X轴方向(机器人的行进方向)平行。
GPS定位单元用于获取机器人当前的位姿信息(航向和位置)，超声波雷达用于获取机器人当前的环境信息(即周边障碍物的方位和与周边障碍物之间的距离)，GPS定位单元获取的位姿信息、超声波雷达获得的环境信息实时传递给控制单元后，控制单元对环境信息进行处理后(即对周围障碍物建立模型并匹配地图记录数据)与GPS的位姿信息配合得到更加精确的环境信息(更准确的确定机器人在环境中的位姿)。控制单元在对GPS定位单元和超声波雷达所获得的信息进行处理后能够得到机器人周围环境中静态、动态障碍物的信息，利用超声波雷达和GPS信息之间的映射关系，给出机器人进行局部路径规划的下一控制指令，从而使机器人躲避或绕开障碍物。
机器人采用该方法躲避或绕开障碍物的具体步骤为：
(1)机器人在巡防过程中，设置在其身上的超声波雷达实时扫描周围的环境信息(障碍物相对机器人的方位和机器人与障碍物之间的距离)，并发送给控制单元，扫描的频率为10hz；GPS定位单元实时获取机器人的位姿信息并发送给控制单元，定位姿频率为5hz。
(2)控制单元接收到GPS定位单元发送来的位姿信息后，能够确定机器人的具***置和航向角度，然后通过其内部预存的地图、卫星地图或规划地图确定机器人所在位置周边的静态障碍物，所述静态障碍物指周边的建筑、植物等不会移动的障碍物。
(3)控制单元接收到超声波雷达发送来的数据后，通过超声波雷达在机器人身上的分布情况，可以确定在机器人周围障碍物的方位(位于机器人的哪个方向)和与障碍物之间的距离。
(4)控制单元依据步骤(2)中所确定的机器人所在位置周边的静态障碍物和设定的机器人的下一目标位置，利用Dijsktra算法或A*算法规划出一条机器人从当前位置到下一目标位置的全局路线，该条全局路线可以避开其周边环境中的所有静态障碍物。
(5)控制单元依据步骤(3)中所确定的机器人周围障碍物的方位和与障碍物之间的距离，在排除步骤(2)中所确定的其周围的静态障碍物后将剩余障碍物均作为动态障碍物；然后控制单元在机器人的速度空间内计算0.1s内所有可能经过的路线，按与局部目标点的距离加权，规划出一条距离最短的局部路线，该条局部路线可以避开由超声波雷达检测到的动态、静态障碍物；若该局部路线与步骤(4)中所规划的全局路线重合，则不进行路线的修正；若不重合，则按当前局部路线行进后返回至步骤(4)修正在全局路线。
在该方法中GPS定位单元可以准确的获取机器人的位置，而超声波雷达可以感知机器人周边障碍物距离，通过GPS定位单元和超声波雷达数据的配合使用，在GPS定位***粗略确定位置的情况下利用超声波数据进行避障从而达到目标位置。由于超声波雷达可以分布于机器人周围，使机器人可以时刻感知周围环境中的障碍而不发生碰撞，这在一定程度上弥补了GPS定位***由于其他复杂原因导致的定位精度不足、无法避开动态障碍物的缺点。同时，超声波雷达获得的数据仅限于机器人周围环境的局部信息，而GPS定位单元则可以提供机器人所在大环境内的位置信息。因为超声波雷达可以均匀分布在机器人前方、后方等处，且数量可以根据需要拓展，再加上GPS定位***的广泛适用性，该算法具有一定的可移植性。
由于超声波雷达能够较为准确的感知机器人周围环境中的动态障碍物，受到算法中的条件限制，在障碍物距离机器人较近时可使止机器人停止运动，以保障安全。GPS定位***技术成熟，且定位效果较好，通过GPS定位单元对机器人自身的位置进行粗略定位，再通过配合超声波雷达的数据信息，从而达到安全、准确的到达目标位置。且超声波雷达本身易于安装，并且可按照需求增加或减少数量，因此本发明具有较好的可移植性，适用范围较广。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于GPS和超声波雷达的机器人避障方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)设置在机器人上的GPS定位单元实时获取机器人当前的位姿信息并发送给控制单元，所述位姿信息指机器人的航向和位置；设置在机器人上的超声波雷达实时扫描其周围的环境信息并发送给控制单元；
(2)所述控制单元接收到GPS定位单元发送来的位姿信息后，通过其内部预存的地图确定机器人所在位置周边的静态障碍物；
所述控制单元接收到超声波雷达发送来的环境信息后，获得该扫描范围内机器人周围所有障碍物的方位及距离；所述障碍物包括静态障碍物和动态障碍物；
(3)所述控制单元依据机器人的航向、依据其内部预存的地图所确定的机器人所在位置周边的静态障碍物以及设定的目标位置，规划机器人从当前位置到设定的目标位置的全局路线，该条全局路线避开依据其内部预存的地图所确定的机器人所在位置周边的静态障碍物；
(4)所述控制控制单元每隔设定时间规划一次局部路线，局部路线的规划方法为：
所述控制单元依据设定的机器人的行走速度、周围所有障碍物的方位及距离，规划局部路线，所述局部路线为机器人在设定时间内避开由超声波雷达检测到的其周围所有障碍物的所有路线中，与设定的局部目标点距离最短的路线；若该局部路线与步骤(3)中所规划的全局路线重合，则不对全局路线进行修正，所述控制单元依据该全局路线控制机器人行走，行走到局部目标点后进行下一次局部路线的规划；若不重合，则所述控制单元依据该局部路线控制机器人行走，行走到局部目标点后返回至步骤(3)重新规划全局路线。
2.如权利要求1或2所述的基于GPS和超声波雷达的机器人避障方法，其特征在于，在所述机器人上前方、后方、左右两侧相同高度部位各放置一个以上超声波雷达。
3.如权利要求1或2所述的基于GPS和超声波雷达的机器人避障方法，其特征在于，当所述GPS信号丢失时，所述控制单元直接依据所规划的局部路线控制机器人行走。
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