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

開(kāi)發(fā)了一種能在未知環(huán)境下實(shí)現(xiàn)快速障礙檢測(cè)與障礙回避的基于同時(shí)發(fā)射聲納環(huán)移動(dòng)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(huà)干擾，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的過(guò)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(dòng)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(cè)。系統(tǒng)中應(yīng)用了動(dòng)態(tài)窗口法來(lái)完成快速障礙回避的運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)器人快速導(dǎo)航。
關(guān) 鍵 詞 串話(huà)干擾; 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航; 障礙回避; 障礙檢測(cè); 同時(shí)發(fā)射; 聲納環(huán)

對(duì)工作于動(dòng)態(tài)或未知環(huán)境中的自主移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，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(chēng)超聲傳感器，由于其價(jià)格便宜并具有良好的測(cè)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(dòng)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(lái)獲取移動(dòng)機(jī)器人周?chē)娜?a target='_blank' class='arckwlink_none'>信息。
利用聲納環(huán)進(jìn)行導(dǎo)航需要解決的主要問(wèn)題是鄰近聲納傳感器間串話(huà)干擾對(duì)掃描頻率的限制。到目前為止，研究人員提出了很多方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，可歸納為兩類(lèi)：(1) 使用無(wú)規(guī)則發(fā)射(Irregular Firing)的方法來(lái)避免串話(huà)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(huà)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(mǎn)足目前移動(dòng)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(lái)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(dòng)機(jī)器人上來(lái)檢測(cè)當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)其軌跡上是否存在障礙物，一旦檢測(cè)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)速度和直線(xiàn)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(shì)。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(shí)別的串話(huà)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(cè)系統(tǒng)中。該檢測(cè)系統(tǒng)是本文提出的快速移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵組成。