[发明专利]一种基于激光雷达的动态避障控制方法

说明书

基于激光雷达的动态避障控制方法，利用激光雷达实时获取移动机器人周围的环境信息，激光雷达数据记录了一段时间内激光雷达在各个方向上的障碍物的距离。避障控制器利用激光雷达的数据，判断障碍物是否在机器人的安全区域。若移动机器人检测到障碍物，首先通过激光雷达数据计算障碍物相对于移动机器人的方位，接着使用避障控制器计算移动机器人的控制输出量，控制机器人避开障碍物。若移动机器人没有检测到障碍物，则使用运动控制器，使得机器人能够到达目标点。移动机器人能够快速检测出障碍物的方位，通过避障控制器与运动控制器的切换以及对机器人的线加速度和角加速度的约束，使移动机器人生成平滑连续的轨迹。

技术领域

本发明涉及动态未知环境中机器人运动控制以及避障方法，针对机器人运动过程中出现的障碍物，本发明设计的避障算法通过采集激光雷达的距离信息，实时计算障碍物的方位，结合机器人的运动学模型和控制律，使机器人能够避开障碍物到达目标点。

背景技术

随着机器人技术的发展，越来越多的移动机器人应用于生产生活中，例如医疗服务机器人，家庭服务机器人等。移动机器人完成运送物品的任务，需要具备感知环境，路径规划，运动控制等功能。除此之外，移动机器人还需要应对运动过程中出现的障碍物，感知并且避开障碍物，保证机器人能够安全的运行。可见，运动控制和避障算法是移动机器人完成更复杂任务的基础。

避障算法主要分为静态避障算法和动态避障算法。静态避障算法针对已知的环境信息，规划出无碰撞的路径。动态避障算法针对未知的环境，包括移动的障碍物，控制移动机器人向目标点运动同时避开障碍物。张海燕提出一种移动机器人路径规划和避障方法及系统，利用已知障碍物环境信息建立二维栅格地图，并在所述二维栅格地图中，采用跳点搜索算法确定所述起点到所述终点之间的最短路径(张海燕.移动机器人路径规划和避障方法及系统[P].中国专利:CN105955280A,2016-09-21.)。但是，全局路径规划算法难以适应环境的变化，可能出现碰撞的问题。薛亮等提出使用分布式超声波设计避障系统，该系统中相邻两个超声波模块的发射方向之间的夹角均相等，通过计算各个超声波模块的距离信息并发送避障指令给所述载体(薛亮；王新华；刘翎予等.一种分布式超声波避障系统及其避障方法[P].中国专利:CN105372664A,2016-03-02.)。但是，与激光雷达相比，超声波传感器检测距离较近，噪声较大，数据信息稀疏，难以应对动态的避障机制。在动态避障算法方面，人工势场法的使用最为广泛，成慧等提出使用人工势场法，为未知室内环境中智能移动机器人的实时避障提供了一种适应性强、实时性好、路径较为平滑的解决方案(成慧；卢雯；朱启源.一种基于Kinect的移动机器人避障方法[P].中国专利:CN105652873A,2016-06-08.)。但是传统的人工势场法只利用了机器人与障碍物之间的距离信息，当机器人正对障碍物时无法快速的避开障碍物。

发明内容

本发明克服现有技术上的缺点，提出一种基于激光雷达的动态避障控制方法，具体方法流程图如图1所示。

本发明利用激光雷达实时获取移动机器人周围的环境信息，获取的激光雷达数据记录了一段时间内激光雷达在各个方向上的障碍物的距离。避障控制器利用激光雷达的数据，判断障碍物是否在机器人的安全区域。若移动机器人检测到障碍物，首先通过激光雷达数据计算障碍物相对于移动机器人的方位，接着使用避障控制器计算移动机器人的控制输出量，控制机器人避开障碍物。若移动机器人没有检测到障碍物，则使用运动控制器，使得机器人能够到达目标点。移动机器人能够快速检测出障碍物的方位，通过避障控制器与运动控制器的切换以及对机器人的线加速度和角加速度的约束，使移动机器人生成平滑连续的轨迹。本发明采用的避障策略无需环境的先验信息，能够应对动态未知环境中的避障问题。

一种基于激光雷达的动态避障控制方法，具体步骤如下：

步骤1：使用激光雷达实时获取障碍物信息