機器人避障是機器人技術(shù)中一項最基礎(chǔ)也是關(guān)鍵的功能，它旨在讓機器人行動過程中保證不發(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、機器人常用避障傳感器

機器人避障的第一步，是讓機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器人提供周圍環(huán)境的參數(shù)指標。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)聲速計算目標與物體之間的距離。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，并且會有最小約幾十毫米的檢測盲點，它只能用于小型項目。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接收器檢測到，會得到一個偏移值。利用幾何關(guān)系可以根據(jù)發(fā)射角度計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，測出與目標的實際距離。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傳感器聯(lián)合使用，通過復(fù)雜的算法模擬計算出物體的形狀、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，但是對機器人內(nèi)置的處理器的要求比較高，且由于處理時間的存在，導(dǎo)致對環(huán)境的實時反應(yīng)差。此外，它也會收到霧霾等光學(xué)因素的干擾。

二、服務(wù)機器人常用避障算法設(shè)計

目前移動類服務(wù)機器人的避障根據(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)避障方法主要實現(xiàn)機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的避障問題處理尚可，但當障礙信息未知或者障礙是可移動的時候，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。而實際生活中，絕大多數(shù)的情況下，機器人所處的環(huán)境都是動態(tài)的、可變的、未知的，為了解決上述問題，人們引入了計算機和人工智能等領(lǐng)域的一些算法。同時得益于處理器計算能力的提高及傳感器技術(shù)的發(fā)展，在機器人平臺上進行一些復(fù)雜算法的運算也變得容易，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)機器人避障能力測試

服務(wù)機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。

本測試的目的是判定機器人針對不同幾何形狀和材質(zhì)障礙物時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)該有任何標記。

  2）測試方法

      測試時可包含六個規(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，由機器人測量障礙物的位置。
      D.   將障礙物放置在相對于機器人的視線逆時針45°方向的直線上，重復(fù)步驟B和C。每次測量完成后，逆時針增加45°角，重復(fù)步驟D。當機器人到達初始位置時，程序停止。調(diào)整障礙物的方向，使其最大的一面面向機器人。通過移動機器人代替障礙物，可以實現(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器人通過停止或執(zhí)行適當?shù)囊?guī)避動作來防止與靜態(tài)或動態(tài)障礙物碰撞的能力。在障礙物與機器人的任何部分發(fā)生物理接觸前，機器人必須停止。如發(fā)生避障動作，應(yīng)按照制造商的規(guī)定，保持障礙物與機器人任何部件之間的最小距離。

 1）測試環(huán)境

      將機器人放置在初始位置，距離目標位置9個長度單位，平鋪一層，如下圖所示。靜態(tài)障礙物和動態(tài)障礙物的動作如下圖所示:
      動作1：將障礙物放置在初始位置和目標位置之間，保持靜止；
      動作2：以與機器人運行路徑垂直90°的方向，將障礙物移動到位置P2；
      動作3：以與機器人運行路徑垂直45°的方向，將障礙物移動到位置P3；
      動作4：在機器人運行路徑上，將障礙物移動到位置P1，以阻止機器人從初始位置到達目標位置。

 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，可采用移動平臺或移動機器人替代。障礙物的動作須與機器人的動作同步，使其同時達到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載移動到目標位置PG。當機器人到達目標位置時，記錄運行時間；
      B.   在每次進行障礙動作1、2、3或4時，將機器人放置在初始位置P0，將障礙物放置在障礙動作初始位置；
      C.   使機器人以制造商規(guī)定的給定場景額定速度和負載移動到目標位置PG，同時使障礙物分別依據(jù)障礙動作2、3或4要求移動至終點位置。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的速度運動時，機器人和障礙物同時達到P1位置；
      D.   當機器人到達目標位置時，記錄運行時間。
      如果機器人沒有達到目標位置或在行進過程中碰到障礙物，則視為試驗失敗。針對一個特定的測試用例，從一開始至連續(xù)三次試驗成功后，視為避障成功。如果前三次試驗中至少有一次失敗，則應(yīng)將此測試視為失敗。選取前三次試驗成功后的平均無障礙運行時間為無障礙運行時間T0。選取前三次成功試驗的最大帶障礙運行時間為帶障礙運行時間T1。延遲因子可定義為T1/T0的值。

【賽迪機器人周周談】