機器人避障是機器人技術(shù)中一項基礎也是關(guān)鍵的功能，它旨在讓機器人行動(dòng)過(guò)程中保證不發(fā)生碰撞，避免結構的過(guò)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劃算法的選擇。

一、機器人常用避障傳感器

機器人避障的步，是讓機器人能夠感知周?chē)�環(huán)境。一般來(lái)說(shuō)，我們需要通過(guò)傳感器給機器人提供周?chē)�環(huán)境的參數指標。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(diǎn)和適用范圍也不同。根據不同的原理，可分為：超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器和視覺(jué)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(shí)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(huì )有小約幾十毫米的檢測盲點(diǎn)，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(jiǎn)單，是常用的傳感器。

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(lái)后用另一個(gè)接收器檢測到，會(huì )得到一個(gè)偏移值。利用幾何關(guān)系可以根據發(fā)射角度計算得到傳感器與物體的距離。常見(jiàn)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(xiàn)會(huì )穿透的材質(zhì)，紅外傳感器是無(wú)法檢測距離的。

3）激光傳感器

激光傳感器原理類(lèi)似前一個(gè)方法，只是用激光替代了紅外線(xiàn)來(lái)測量距離。常用的測距方式是由發(fā)射器發(fā)出持續時(shí)間很短的脈沖激光，由接收器接收返回的信號，根據入射波與反射波的延時(shí)，測出與目標的實(shí)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G的L域。

4）視覺(jué)傳感器

視覺(jué)傳感器利用多個(gè)傳感器聯(lián)合使用，通過(guò)復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，但是對機器人內置的處理器的要求比較G，且由于處理時(shí)間的存在，導致對環(huán)境的實(shí)時(shí)反應差。此外，它也會(huì )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計

目前移動(dòng)類(lèi)服務(wù)機器人的避障根據環(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。傳統避障方法主要實(shí)現機器人無(wú)碰撞全局路徑規劃，主要采用人工勢場(chǎng)法、柵格法、自由空間法等算法。傳統避障方法對障礙物信息己知時(shí)的避障問(wèn)題處理尚可，但當障礙信息未知或者障礙是可移動(dòng)的時(shí)候，傳統的導航方法一般不能很好的解決避障問(wèn)題或者根本不能避障。而實(shí)際生活中，J大多數的情況下，機器人所處的環(huán)境都是動(dòng)態(tài)的、可變的、未知的，為了解決上述問(wèn)題，人們引入了計算機和人工智能等L域的一些算法。同時(shí)得益于處理器計算能力的提G及傳感器技術(shù)的發(fā)展，在機器人平臺上進(jìn)行一些復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(mén)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(lèi)：障礙物探測測試和障礙物規避測試。

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(shí)的探測能力和障礙物距離檢測能力。障礙物參數一般基于制造商指定的小和大傳感范圍確定，機器人未必能識別到邊界參數障礙物。

1）測試環(huán)境

測試區域應足夠大，可容納機器人和制造商聲明的大規定范圍的障礙物，如圖所示。機器人與障礙物之間不應有任何障礙物。測試環(huán)境的墻壁不應該有任何標記。

  2）測試方法

      測試時(shí)可包含六個(gè)規格障礙物，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大規定范圍后，由機器人檢測障礙物的位置；
      C.   將障礙物放置在小規定范圍后，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(xiàn)逆時(shí)針45°方向的直線(xiàn)上，重復步驟B和C。每次測量完成后，逆時(shí)針增加45°角，重復步驟D。當機器人到達初始位置時(shí)，程序停止。調整障礙物的方向，使其大的一面面向機器人。通過(guò)移動(dòng)機器人代替障礙物，可以實(shí)現障礙物的相對定位。

2、障礙物規避測試

本測試的目的是判定機器人通過(guò)停止或執行適當的規避動(dòng)作來(lái)防止與靜態(tài)或動(dòng)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，機器人需要停止。如發(fā)生避障動(dòng)作，應按照制造商的規定，保持障礙物與機器人任何部件之間的小距離。

 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(gè)長(cháng)度單位，平鋪一層，如下圖所示。靜態(tài)障礙物和動(dòng)態(tài)障礙物的動(dòng)作如下圖所示:
      動(dòng)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(dòng)作2：以與機器人運行路徑垂直90°的方向，將障礙物移動(dòng)到位置P2；
      動(dòng)作3：以與機器人運行路徑垂直45°的方向，將障礙物移動(dòng)到位置P3；
      動(dòng)作4：在機器人運行路徑上，將障礙物移動(dòng)到位置P1，以阻止機器人從初始位置到達目標位置。

 為了體現人類(lèi)典型的行走速度，建議障礙物的速度為1.6m/s，可采用移動(dòng)平臺或移動(dòng)機器人替代。障礙物的動(dòng)作須與機器人的動(dòng)作同步，使其同時(shí)達到P1的位置。

      2）測試方法
      該測試可根據以上描述形成十種測試用例，每次測試應遵循以下測試方法：
      A.   將機器人放置在初始位置P0，以制造商規定的給定場(chǎng)景額定速度和負載移動(dòng)到目標位置PG。當機器人到達目標位置時(shí)，記錄運行時(shí)間；
      B.   在每次進(jìn)行障礙動(dòng)作1、2、3或4時(shí)，將機器人放置在初始位置P0，將障礙物放置在障礙動(dòng)作初始位置；
      C.   使機器人以制造商規定的給定場(chǎng)景額定速度和負載移動(dòng)到目標位置PG，同時(shí)使障礙物分別依據障礙動(dòng)作2、3或4要求移動(dòng)至終點(diǎn)位置。障礙物的初始位置可以沿直線(xiàn)路徑調整，以保證在障礙物以1.6 m/s的速度運動(dòng)時(shí)，機器人和障礙物同時(shí)達到P1位置；
      D.   當機器人到達目標位置時(shí)，記錄運行時(shí)間。
      如果機器人沒(méi)有達到目標位置或在行進(jìn)過(guò)程中碰到障礙物，則視為試驗失敗。針對一個(gè)特定的測試用例，從一開(kāi)始至連續三次試驗成功后，視為避障成功。如果前三次試驗中至少有一次失敗，則應將此測試視為失敗。選取前三次試驗成功后的平均無(wú)障礙運行時(shí)間為無(wú)障礙運行時(shí)間T0。選取前三次成功試驗的大帶障礙運行時(shí)間為帶障礙運行時(shí)間T1。延遲因子可定義為T(mén)1/T0的值。

【賽迪機器人周周談】