移动机器人避障方法研究_如何解决机器人“避障”的问题

随着机器人在工厂、仓库、酒店、商场、餐厅等环境中的应用,我们越来越重视机器人的移动性,以至于“避障”是我们无法回避的话题。

避障和SLAM是两个不同的功能,既有联系又有区别。虽然SLAM在绘制过程中已经通过一个或多个传感器检测到了周围环境中的障碍物,但是由于目前主流SLAM技术的不成熟,无法很好的解决避障问题。

市面上常见的机器人大多使用二维激光雷达进行导航,但二维激光雷达在实际应用中仍存在不足。

如图所示,二维激光雷达测量的是360度水平视场的距离,由于激光的反射,其范围内的大部分障碍物都可以被测量到,但激光雷达只能探测到物体A和C的存在,而无法探测到雷达扫描平面下的物体B。如果物体A和C的形状不同,机器人就无法根据雷达扫描测得的数据准确避开障碍物。

所以在实际应用中,地面散落的物体、凸起的台阶、桌椅都会对激光雷达避障造成挑战。

如果我们把这种需要考虑物体上下完整轮廓的障碍物检测称为“三维避障”。

在一些复杂的地方,二维激光雷达无法胜任三维避障,需要给机器人配备其他传感器作为补充。

比如超声波传感器,成本非常低,实现简单,可以识别透明物体,但缺点是探测距离短,三维轮廓识别精度差,所以不能识别桌腿等轮廓复杂的物体,但可以识别玻璃、镜子等物体。

还有深度相机,具有三维测距能力(水平和垂直两种视场),因此可以直接探测三维障碍物,为移动机器人提供三维保护。

所以在高配的移动机器人中,可以用激光雷达实现SLAM,用深度相机实现避障,用超声波保护激光雷达和深度相机的探测盲区。这三种传感器已经成为很多高端移动机器人常见的组合配置。

上海图洋信息技术有限公司(简称“上海图洋”)副总经理徐涛说:“大多数深度相机的垂直视场角都在60度以下。如果安装了平视摄像头,可以探测到前方的立体障碍物,但是近距离的低障碍物会有很大的盲区。”

“如图所示,在这种情况下,一种方式是降低安装高度,另一种方式是采用俯视安装角度,但这样会导致无法进行障碍物高度检测。”

因此,在实际使用中需要仔细考虑和设计摄像头的安装方式。如果对上下立体障碍物的检测要求比较高,可以采用平视和俯视两套深度相机的方案进行组合。

以下是上海途洋提供的深度相机比较重要的规格和参数,供业界参考:

所有相机都有其最短和最远的工作距离,深度相机的典型工作距离为0.3-3m(近景版)或0.5-5m(中景版)。在最短的距离内,深度相机根本看不到任何物体,这可能会对机器人身体的保护造成威胁,需要慎重考虑。

另外,分辨率越高,物体轮廓的识别度越好,但成本和计算成本会更高。对于简单的避障,其实对物体轮廓细节的识别度不高,分辨率可以低一些,比如480p级别。

最后,深度相机的帧率要求与机器人的移动速度有关。一般普通商用或家用机器人的移动速度都不快,大多在1m/s左右,30fps的帧率就能满足要求,帧延迟低。