一种环境内移动机器人实时探测障碍物移动状态的方法技术

本发明专利技术涉及一种环境内移动机器人实时探测障碍物移动状态的方法，由计算机和移动机器人系统组成。移动机器人系统的单片机控制单元控制超声波发生器发射多组两两连续的超声波到前方同一障碍物，将获得的每两个回波时间差值，通过数据采集卡或无线方式传输给计算机，利用本发明专利技术推导的计算公式计算被测障碍物沿机器人移动方向上的移动速度、方向和距离。通过对多组回波信号计算，可获取融合速度或平均移动速度，从而获得高测量精度的被测障碍物的移动速度。本发明专利技术突破了移动机器人必须缓慢行进以接近静止方式探测障碍物移动速度的瓶颈，测速方法准确高效，增强了移动机器人运动的灵活性，实现有效避障。本发明专利技术尤其适用于微小型移动机器人系统。

【技术实现步骤摘要】
一种环境内移动机器人实时探测障碍物移动状态的方法
本专利技术涉及移动机器人环境内自主避障移动、实时探测障碍物移动状态的方法，属于移动机器人

技术介绍
代替人类的劳动，机器人在各领域的研究和应用得到了迅速发展，移动机器人是机器人技术发展的一个方面。对已知环境内移动机器人自主避障移动控制，主要研究在已知障碍物分布区域内搜索从起点到目标点的最佳路径，算法有栅格法，人工势场法及智能搜索算法，如粒子群算法、遗传算法等。也有基于图像视觉导航控制的研究，可以获得移动区域内某一时刻的环境信息，但因图像信息量大，图像分析处理速度慢于动态障碍物移动速度，限制了移动机器人的实时控制。目前，已成功应用于机载、舰或自动驾驶的激光雷达，虽可以实现探测区域内障碍物的位置、速度、姿态等信息，但除了系统造价昂贵外，其几十千克的重量也难于应用于微小型移动机器人系统；现有的移动机器人常用激光测距、超声波测距，未见有开发其测速功能，不能探知环境内探测的障碍物的移动状态，因此必须使环境内移动机器人缓慢移动，以避免因机器人快速移动难于控制而与探测区域内的障碍物发生碰撞，从而限制了移动机器人的实际应用和发展。
技术实现思路
本专利技术公开了一种移动机器人探测移动区域内动态障碍物状态的方法，用于微小型侦查移动机器人对已知环境内、动态障碍物环境下，不需要事先规划移动路径，而由机器人自主移动规避障碍物，在整个探测区域内快速移动，无需减缓移动机器人速度，并实时获取前方环境区域内障碍物的移动速度和位置。本专利技术考虑移动机器人本身的移动速度，根据机器人的移动速度推导了时间差比较表达式，无论移动机器人处于何种运动状态均能根据自身的需要实时准确探测获得障碍物的移动速度。这种实时测速的方法准确高效，且增强了移动机器人运动的灵活性，对移动机器人在未知环境内的自主避障移动极具实用价值；有效克服了现有技术只能靠人工规划计算路径，而不能实现移动机器人自主避障，或虽然可以实时探测已知环境区域内动态障碍物的移动状态，但移动机器人必须减缓移动速度等待障碍物信息处理，以及图像处理法处理图像困难和雷达探测系统价格昂贵等缺陷，有效推动了移动机器人的运用和发展。本专利技术技术方案是这样实现的：一种环境内移动机器人实时探测障碍物移动状态的方法，由上位计算机和移动机器人系统组成；所述的移动机器人系统包括移动机器人本体，单片机控制单元和超声波发生器三部分；获取障碍物移动状态的方法是：超声波发生器向前方同一障碍物连续发射多组，每组至少两个连续超生波脉冲，获取至少两个超声波的回波时间，计算时间差值，将该时间差值与导出的不等式值进行比较，依据给出的计算方法分别计算出障碍物的移动速度和移动方向，以及接收到的最后一个回波信息时障碍物与机器人之间的距离；实时控制移动机器人进行自身移动速度和方向的动态调整，具体实施方法如下：A)所述移动机器人初始移动速度和方向为已知，障碍物的移动速度和方向为动态变化，超声波发生器以一定的频率和波速向前方同一障碍物连续发射至少两个超声波电磁波，通过该两个连续超声波发生的回波信号，由机器人单片机控制单元获得超声波两个回波时间、；B）获得的两个连续回波信息时间差为：(1)式中为移动机器人向探测方向的移动速度；（1）式为障碍物静止状态，因为当被探测障碍物处于静止状态时，与回波时间对应的移动机器人与障碍物之间的距离分别为：(2)(3)式中，，，分别是两个连续发送的超声波测得的障碍物与移动机器人之间的距离；两个连续超声波脉冲间隔时间为,该间隔时间内移动机器人以速度向前移动距离为，则有：(4)则由式(4)、(5)、(6)即可得到式(3)，即当机器人以速度向前方移动，发射的两个连续超生波的回波时间差为式(3)表达式的值时，所探测到的障碍物沿机器人移动方向处于静止状态；(2)如获得的两个连续回波信息时间差，且有：(5)则可判定此时所探测到障碍物沿机器人移动方向一定处于与机器人相向移动的运动状态。此时接收到回波时移动机器人与障碍物之间的距离，分别为超声波的去程减去移动机器人在发射和接收超生波时间内向前方移动的距离，再减去超声波回程时间段内障碍物向机器人移动的距离，表示为：(6)(7)式中，v2是被测障碍物的移动速度；同理，因两个连续超生波脉冲间隔时间为,该间隔时间内移动机器人以速度向前移动距离为，障碍物以速度向移动机器人移动，则有：(8)由式(6)、(7)、(8)可得到被测障碍物的移动速度为：(9)(3)如获得的两个连续回波信息时间差：(10)与式（1）障碍物静止状态相比，第二回波时间变长，则说明此时所探测到障碍物向远离机器人方向移动，即沿机器人移动方向一定处于与机器人同向移动的运动状态；接收到回波时移动机器人与障碍物之间的距离，分别为超声波的去程距离（从发射到遇障碍物反射之间的距离）与超声波回程时间段内障碍物向机器人移动的距离之和，再减去移动机器人在发射和接收超生波时间内向前方移动的距离，表示为：(11)(12)同理两个连续超生波脉冲间隔时间为,该间隔时间内移动机器人以速度向前移动距离为，障碍物以速度向远离移动机器人的方向移动，则有：(13)由式(11)、(12)、(13)可得到被测障碍物远离移动机器人的移动速度为：(14)如(9)、(14)中，如为零，即障碍物的移动速度为零，可得到式（1），与式（1）探测的障碍物移动速度为零，障碍物处于静止状态相符。C)对于依次获得的多组回波信息，可按B)的方法进行两两计算或融合计算，得到被测障碍物的融合速度或平均移动速度；D)移动机器人单片机控制单元可将获得回波信息的多组时间值通过数据采集卡或以无线方式进行传输至计算机，依据给出的计算方法进行数据滤波处理和数据分析计算，获得更加准确的测量结果，再反馈到移动机器人系统，保证其在安全距离内快速移动并安全避障。本专利技术移动机器人实时探测障碍物移动状态的方法与以往的研究方法不同，本专利技术考虑了移动机器人本身的移动速度，移动机器人可在自由移动的过程中实时探测移动方向上障碍物的移动速度和距离，测量过程中移动机器人的移动速度不受限制，亦可处于快速移动状态。本专利技术计算方法根据机器人的移动速度推导了与回波时间差相比较的关系表达式，并以此式分别确定并能精确计算环境内障碍物的运动状态，所以本专利技术突破了移动机器人必须缓慢行进以接近静止方式探测障碍物移动速度的瓶颈，无论移动机器人处于何种运动状态和速度，均能根据自身的需要实时准确探测障碍物的移动速度。这种实时测速的方法准确高效，且增强了移动机器人运动的灵活性，对移动机器人在复杂环境内的自主避障奠定了理论基础，且极具实用价值。本专利技术计算方法准确并易于实现，不仅可由移动机器人系统独立实现，亦可通过机器人上位机实现。本专利技术尤其适用于微小型移动机器人系统。附图说明：图1是本专利技术是机器人实时探测障碍物状态工作原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环境内移动机器人实时探测障碍物移动状态的方法，由上位计算机和移动机器人系统组成；所述的移动机器人系统包括移动机器人本体，单片机控制单元和超声波发生器；获取障碍物移动状态的方法是：超声波发生器向前方同一障碍物连续发射多组，每组至少两个连续超声波脉冲，获取至少两个超声波的回波时间，计算时间差值，将该时间差值与导出的表达式值进行比较，并依据计算公式分别计算出障碍物的移动速度和移动方向，以及接收到的最后一个回波信息时障碍物与机器人之间的距离；实时控制移动机器人进行自身移动速度和方向的动态调整，其特征在于具体实施方法如下：/nA )所述移动机器人初始移动速度和方向为已知，障碍物的移动速度和方向为动态变化，超声波发生器以一定的频率

【技术特征摘要】
1.一种环境内移动机器人实时探测障碍物移动状态的方法，由上位计算机和移动机器人系统组成；所述的移动机器人系统包括移动机器人本体，单片机控制单元和超声波发生器；获取障碍物移动状态的方法是：超声波发生器向前方同一障碍物连续发射多组，每组至少两个连续超声波脉冲，获取至少两个超声波的回波时间，计算时间差值，将该时间差值与导出的表达式值进行比较，并依据计算公式分别计算出障碍物的移动速度和移动方向，以及接收到的最后一个回波信息时障碍物与机器人之间的距离；实时控制移动机器人进行自身移动速度和方向的动态调整，其特征在于具体实施方法如下：
A)所述移动机器人初始移动速度和方向为已知，障碍物的移动速度和方向为动态变化，超声波发生器以一定的频率和波速向前方同一障碍物连续发射至少两个超声波电磁波，通过该两个连续超声波发生的回波信号，由机器人单片机控制单元获得超声波两个回波时间、；
B）如获得的两个连续回波信息时间差为：

(1)
式中v1为移动机器人向探测方向的移动速度；
则（1）式为障碍物静止状态，因为当被探测障碍物处于静止状态时，与回波时间对应的移动机器人与障碍物之间的距离分别为：

(2)

(3)
式中，，，分别是两个连续发送的超声波测得的障碍物与移动机器人之间的距离；
两个连续超声波脉冲间隔时间为,该间隔时间内移动机器人以速度向前移动距离为，则有：

(4)
则由式(4)、(5)、(6)即可得到式(3)，即当机器人以速度向前方移动，发射的两个连续超生波的回波时间差为式(3)表达式的值时，所探测到的障碍物沿机器人移动方向处于静止状态；
(2)如获得的两个连续回波信息时间差，且有：

(5)
则可判定此时所探测到障碍物沿机器人移动方向一定处于与机器人相向移动的运动状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：于莲芝，薛震，柏语曼，赵汉家，王越，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31