基于激光传感器的机器人目标跟踪方法研究

廖若峰

摘 要：随着科学技术的不断进步，给人类的生活带来了许多便利。如今关于机器人的控制研究也越来越多，使用的控制技术也越来越先进。在机器人工作过程中，需要模拟人体对外界环境信息进行获取，然后对这些信息进行处理并执行相应的指令。激光传感器能够在机器人捕捉信息中发挥更大的作用，本文将对基于激光传感器的机器人目标跟踪方法进行说明。

关键词：激光传感器；机器人；目标跟踪方法

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）30-0332-01

近些年对机器人的研究力度不断加大，如今已经有很多机器人实现了产业化，给工作和生活带来了极大的改变。移动机器人已经在一些人工智能、工业自动化控制中发挥越来越大的作用。机器人需要将运动控制、环境感知等多方面因素实现精确控制，才能够完成预期目标，因此已经有越来越多的科研工作者投入到对机器人的运动控制以及环境感知这些功能研究中。

1 激光传感器目标定位方法

在对机器人进行控制中，需要实现对机器人空间位置的实时定位。其中激光传感器就是一种比较先进的目标定位方式，在此种控制方法中，需要将一个高速旋转的反光镜进行光线反射的控制，机器人是向前方发出激光的，将这个激光反射到前方不同的角度，就能够通过这些信息得到该激光能够覆盖的弧形面积的二维平面信息。在此过程中，就需要将所发出去的激光使用激光传感器进行接收。因此激光在发出去之后经过的路径以及距离不同，因此在每一次激光发出与对应的接收时间都是存在差异的，根据激光在该介质中传输的速率就可以计算出激光经过的目标和机器人之间的实际距离，并且还可以通过对激光反射角度来对该物体与机器人之间的位置分布进行计算。在运动目标跟踪中，需要使用跟踪算法。在本文的研究中，将距离机器人最近的目标作为实验跟踪目标。

2 运动目标跟踪方法

2.1 三种跟踪策略

目前在机器人对运动目标进行跟踪时，有三种跟踪策略，每种策略都具有自身独特的优势。第一种跟踪策略就是直线跟踪策略，需要机器人在运动中先加速，然后匀速行驶，最后再减速，精确到達目的地。这种运动方式中，机器人的速度突变比较小，承担机器人运动的主要部件——电机和齿轮就能够受到更小的冲击力，减小对运动部件的伤害，能够实现平滑跟踪。第二种跟踪策略就是旋转跟踪策略，为了实现机器人的旋转，就需要让机器人左右两边的运动轮产生不一定的驱动力，因此就需要使用两个不同的电机，通过对这两个电机输出转矩的不同设置来实现对左右轮速度的控制。一般来说，如果左轮的速度大于右轮，那么机器人会向右边偏转，通过对左右轮速度的差值控制实现对旋转跟踪的精确控制。在这种控制策略中由于涉及到两个电机同时控制，因此加大了控制难度。第三种就是基于栅格的目标跟踪策略，这种控制策略不仅仅需要面对直线运动以及圆形轨迹，还需要面对任意方向运动时的目标。需要机器人能够实现实时对目标和自身的位置以及方位的计算以及更新，以此来通过算法计算跟踪运动路径。在使用栅格法时，通过机器人实时对前方发送激光，然后通过对反射回来的激光信号进行分析，将一片辐射状的二维平面信息呈现出来。使用栅格法就是将这个二维平面信息进行划分，然后按照划分的栅格区域设计跟踪方案。

2.2 算法控制描述

在使用激光传感器进行控制时，首先就应当对目标和机器人之间的距离和方位进行计算，然后将这两个信息和提前划分好的区域之间进行对比分析，以此来对目标的实际位置进行控制。最后就是通过控制算法得到机器人左轮和右轮的速度给定，并且通过对电机的驱动来实现机器人的运动控制。采用“基速度+速度差”跟踪策略。机器人运动的线速度是和左轮和右轮的实际运动速度有关，并且左轮和右轮的速度差值需要精确设定，该差值就构成了机器人的运动角速度。在实际控制过程中，当判定目标和机器人之间的距离比较大，就应当要适当增大线速度。假如目标和机器人正前方之间的夹角比较大时，就应当要增加左轮和右轮之间的速度差，使得角速度增加，这样就能够更快接近目标。“基速度+速度差”跟踪策略指的是以机器人的其中一个轮子的速度为基速度，假如以左轮为基速度，那么在选择右轮的速度给定时，可以将右轮的速度设定为左轮速度+速度差，因此在实际控制过程中更加便捷。在确定基速度时，需要按照激光传感器得到的距离和方位角信号进行计算，距离信息和控制速度实现正比例计算，然后以此作为基速度确定的来源，然后按照方位信息和控制角信号推算速度差。一般来说，需要设置一个安全距离，当机器人和目标之间的距离在安全距离之内时，就应当要减速，避免出现机器人和目标之间的碰撞而损坏机器人构件的情况。假如在安全距离之外时，应当要对方位角进行判断，当方位角小于80°时，设置为右转，也就是需要将机器人右轮的速度设置为基速度，通过“基速度+速度差”跟踪策略来确定机器人左轮的速度。但是如果判断方位角大于100°时，基速度就变成了左轮的速度，并且相应的确定右轮的速度。假如方位角在80～100°之间，机器人需要向前直行。

3 结 语

当前对机器人控制研究越来越多，也取得了许多进展。其中基于激光传感器的机器人目标跟踪控制就是十分先进的控制方式，对目标和机器人之间的距离和位置角的计算，使用栅格法进行区域划分，计算出相应的控制线速度和角速度。使用“基速度+速度差”跟踪策略是一个具有许多优势的方式，能够使得线速度和角速度的变化更加平滑，避免速度突变对电机和齿轮造成过大的负担，引起结构损坏。

参考文献

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收稿日期：2018-9-10