基于同时发射声纳环移动机器人导航系统

开发了一种能在未知环境下实现快速障碍检测与障碍回避的基于同时发射声纳环移动机器人导航系统。为了消除由于同时发射造成的串话干扰，提出了一种基于神经网络模式识别的过滤方法；并制作了由24个声纳传感器组成的声纳环安装到实际的移动机器人上，实现了扫描频率最大可达到66 Hz的全景检测。系统中应用了动态窗口法来完成快速障碍回避的运动规划。实际的导航实验表明，系统可用于室内未知环境中的移动机器人快速导航。
关 键 词 串话干扰; 移动机器人导航; 障碍回避; 障碍检测; 同时发射; 声纳环

对工作于动态或未知环境中的自主移动机器人来说，障碍回避，即基于传感器的导航，是其最主要的基本任务之一。声纳，也称超声传感器，由于其价格便宜并具有良好的测距性能，是商业化的室内机器人和研究用机器人最常用的传感器之一。在移动机器人的应用中，由多个声纳排成队列，通常是组成声纳环，被用来获取移动机器人周围的全景信息。
利用声纳环进行导航需要解决的主要问题是邻近声纳传感器间串话干扰对扫描频率的限制。到目前为止，研究人员提出了很多方法来解决这个问题，可归纳为两类：(1) 使用无规则发射(Irregular Firing)的方法来避免串话干扰的出现。如文献[1]提出了EERUF快速超声发射方法，使得单独的声纳可以去除串话干扰，并实现了5~16 Hz的全景扫描。但是，这样的频率还不足以满足目前移动机器人高速导航的要求。(2) 使用同时发射(Simultaneous Firing)的方法来完成一些有限的功能。如文献[2]应用了同时发射于一种快速移动机器人上来检测当高速运动时其轨迹上是否存在障碍物，一旦检测到有障碍物则把发射模式切换为依次发射(Sequential Firing)。
文献[3]提出的DDM方法是一种实现障碍回避的典型方法，但由于该方法很耗费时间，不适于应用于具备高扫描频率的导航系统中。文献[4-7]提出的方法中，导航系统采用了动态窗口法(Dynamic Window Approach，DWA)。这是考虑到该避障方法具有明了的物理意义表达，并能一步就快速计算出移动机器人的旋转速度和直线速度，从而能最大限度地发挥系统中高扫描频率声纳环的优势。为了实现同时发射声纳的通用化，本文提出了一种基于神经网络模式识别的串话干扰去除方法，并将其实际应用到一个由24个声纳传感器组成、在2.5 m范围内能达到66 Hz扫描频率的声纳环障碍检测系统中。该检测系统是本文提出的快速移动机器人导航系统的关键组成。