基于激光传感器的机器人目标跟踪方法研究

徐博文　王金祥

摘 要： 本文使用“基速度+速度差”的方法控制机器人跟踪目标，通过激光传感器获取运动目标相对于机器人的位置信息，根据目标位置的不同给出控制策略，实时控制机器人运动的线速度和角速度，进而控制机器人的运动轨迹。实验结果表明，该方法能使机器人实现对运动目标的平滑跟踪，算法实时性高，鲁棒性好。

关键词： 机器人；激光传感器；目标跟踪

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.124

1 研究的现状及意义

随着现代科技的发展、人民生活水平的不断提高，机器人在人们的日常生活中的角色越来越重要。移动机器人的研究领域涉众多，如人工智能、电气自动化、电子信息与工程等等。移动机器人是运动控制、路径规划、环境感知的多功能综合实验平台，是目前科学研究中的热门领域之一。机器人的运动控制是移动机器人最基本的功能，也是移动机器人的灵魂，如何合理、有效地解决运动控制问题至关重要。

2 激光传感器目标定位方法

激光传感器的工作原理是用一个完整的高速旋转的反光镜将原本向前直线射出的激光反射到前方不同的角度，扫描获得前方的一片辐射状二维平面信息。激光发射出去，照射到物体表面反射回来被激光传感器接收。根据接收到反射光的时间长短测算出物体距离机器人的距离信息，根据收到反射光的角度获取物体距离机器人的方位信息。由于本文主要研究跟踪方法、速度与轨迹控制，所以实验中以距离机器人最近的目标为机器人要跟踪的目标，这样机器人视野中即使目标移动，机器人仍会捕获到目标信息，从而为跟踪算法的应用打下良好的实验条件。

3 运动目标跟踪方法

机器人的直线跟踪策略。采用先加速行驶到理想跟踪速度，然后以此速度匀速行驶一段距离，最后减速行驶到达目的地。这样做的主要目的是为了避免速度的突变量太大对电机和齿轮造成伤害和造成跟踪轨迹摇摆。这样设计能使机器人速度变化时有一定的缓冲，可以较好地实现平滑跟踪。

机器人的旋转跟踪策略。因为机器人左右两个驱动轮分别由一个电机单独进行控制，所以可以分别设置左轮和右轮的速度，当左轮和右轮的速度不一致时，机器人前进的方向就会发生偏转。若左轮的速度大于右轮时，且都为正速度时，机器人就会向右偏转，反之亦然。若左轮的速度为一个正定值速度，右轮这个速度的负值时，机器人就会顺时针快速自转，反之亦然。

基于栅格的目标跟踪策略。当目标在机器人前方不是直线运动，而是朝任意方向运动的时候，此时机器人再走固定的圆形轨迹便不能跟踪目标了，机器人得根据目标与自身之间的距离信息和目标的方位角信息进行相应的曲线运动。此时，采用栅格法跟进的方式便可以解决这一问题，激光扫描会获得机器人前方的一片辐射状二维平面信息，将这块二维平面划分成若干个不同的区域，每一个区域分别为机器人设计一套跟踪方案。这样，无论目标落在哪一个区域，机器人都能有一套跟踪方案追踪目标。

具体算法描述如下：

步骤一：通过激光传感器实时获取目标与传感器之间的距离和目标的方位角信息。

步骤二：根据距离和角度信息与预先划分好的区域作比较，得到目标所在区域。

步骤三：根据目标所在区域及预先设定的机器人运动方案设置机器人左右轮速。

步骤四：重复步骤一，直至跟踪结束。

基于“基速度+速度差”跟踪策略。目标从某一块区域运动到另一块区域时，由于每个区域的运动方案是预先设计好的，每个区域的左右轮速策略是固定不变，所以机器人在不同的运动方案之间切换时，线速度和角速度没有平滑的变化，是突变的，这样的运动方式不仅不是最理想的而且速度的突变也会对内部电机造成负担。机器人在运动过程中，线速度主要与左右轮的速度之和有关，角速度主要与左右轮的速度差值有关。当目标离机器人越远的时候，线速度应该越大，当目标与机器人正前方90度方位角的偏差角越大時，机器人的角速度应该越大这样才能快速地调整姿态使机器人自身正对着目标。采用“基速度+速度差”的控制方法是分别控制左右轮的速度进而控制机器人的线速度和角速度的变化。如当机器人向右偏转时，左轮的速度大于右轮的速度，这时以右轮的速度为基速度，左轮的速度 = 右轮的速度 + 速度差，反之亦然。因为轮间距固定可知，所以速度差越大，机器人跟踪的角速度越大，反之亦然。由于线速度的大小与基速度相近，设右转时右轮速度或左转时左轮速度为基速度。

具体算法描述如下：

步骤一：通过激光传感器实时获取目标与传感器之间的距离和目标的方位角，根据距离信息与控制速度的正比例关系算出对应的基速度，通过方位信息与控制角速度的正比例关系推算出速度差。

步骤二：如果距离信息小于等于安全距离，机器人减速停止跟踪。如果大于安全距离小于失去目标距离，则执行步骤三，如果大于等于失去目标距离，机器人减速停止跟踪。

步骤三：如果方位角小于80度，机器人需要向右偏转，则右轮速度为基速度，左轮速度为基速度+速度差。如果方位角大于100度，机器人需要向左偏转，则左轮速度为基速度，右轮速度为基速度+速度差。如果方位角在80度到100度之间，机器人向前直行，左右轮的速度都为基速度，若偏转角度增大则通过减少基速度的方式控制增大角速度。

步骤四：重复步骤一，直至停止跟踪。

4 实验结果与分析

本实验采用的智能轮式机器人前身搭载了一个激光传感器。该机器人由两个在同一个轴上对称分布的驱动轮和后面一个万向从动轮组成，通过调整驱动轮速度控制机器人的运动。

在本实验轮式机器人的运动控制测试中，“基速度+速度差”的方法比栅格法更加精确，线速度和角速度的变化也更加地平滑，具体跟踪效果是在速度测定方面应用栅格法跟踪的速度变化忽高忽低，采用“基速度+速度差”跟踪方法速度的变化平缓合理；在跟踪轨迹测定方面，栅格法跟踪轨迹左右摆动较为明显，而“基速度+速度差”跟踪的轨迹平滑。综上所述，本文提出的跟踪算法跟踪效果好，且鲁棒性较强。

作者简介：徐博文（1996-），男，吉林延吉人，本科，通信工程（中外）专业。

*为通讯作者