仿人型煤矿环境探测机器人自主避障研究.pdf

第 3 1 卷第 0 3期 2 0 1 0年 O 3月 煤 矿 机 械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 l - 3 l No ． O 3 Ma r ． 2 Ol O 仿人型煤矿环境探测机器人自主避障研究 戴珊珊 ． 王学让 - 1 ． 中国矿业大学 机电学院，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 徐州建筑职业技术学院，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 1 摘 要 为 了提 高仿人 型煤矿环 境探测机 器人 的 自主行走 能力 ，在其 周 围布 置 了 3个探 测距 离为 0 ． 1 O ． 8 m的 G P 2 D1 2型红外测距传感器对障碍物进行探测 。并通过人工势场的方法实现 自 主避障 通过试验． 得到 了理想的避障效果。 关键词煤矿；环境探测； 机器人；自主避障 中图分类号 T P 2 4 2 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 30 0 5 00 2 Au t o n o mo u s Ob s t a c l e Av o i d a n c e o f Co a l M i n e En v i r o n me n t De t e c t i o n Huma no i d Ro b o t DAI S h a n - s h a n ， W ANG Xu e - r a n g ’ f 1 ． Co l l e g e o f E l e c t r o me c h a n i a l E n g i n e e r i n g ， Ch i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ， Ch i n a ； 2 ． X u z h o u I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r a l T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e a b i l i t y o f c o a l mi n e e n v i r o n me n t d e t e c t i o n h u ma n o i d r o b o t ’ s a u t o n o mo u s wa l k i n g ,p u t t h r e e G P 2 D 1 2 t y p e l a r g e- s p a c e i n fra r e d r a n g i n g s e n s o r s wh o s e d e t e c t i o n d i s t a n c e i s fr o m 0 ． 1 m t o 0 ． 8 m a r o u n d i t t o i d e n t i f y o b s t a c l e s a n d t h e r o b o t r e a l i z e s a u t o ma t i c o b s t a c l e a v o i d a n c e t h r o u g h t h e me t h o d o f a r t i fi c i a l p o t e n t i a l fi e l d ． T h r o u g h t h e t e s t , g e t a n i d e a l e f f e c t o f o b s t a c l e a v o i d a n c e ． Ke y wo r d s c o a l mi n e ； e n v i r o n me n t e x p l o r a t i o n ； r o b o t ； a u t o n o mo u s o b s t a c l e a v o i d a n c e O引言 煤矿瓦斯爆炸事故后 ． 现场环境复杂 ． 不论是 温度 、 有害气体 ． 还是狭小 的空间 ， 往往都导致救护 人员无法直接进入灾害现场执行营救任务 ， 错过 了 很多救援韵 最佳时机 ． 因此研发替代或部分替代救 险队员进入矿井灾害现场进行环境探测和完成搜 救任务的煤矿救灾机器人．这对煤矿安全生产和建 立特种危险环境 下的工业救灾体系具有十分重要 的意义 。 仿人型煤矿环境探测机器人体型小 高 0 ． 3 m ． 重心低 约 0 ． 1 m ， 行走平稳 ， 能够很好地进入危险 的环境进行环境探测 ． 尤其可以在井下狭小的空间 内行走 但是当遇到较大的障碍物时 ． 其体型小的 特点决定 了无法实现越障 ． 在这样情况下 ， 机器人 能实现避障就显的尤为重要 本文采用红外传感测 距技术和人工势场计算方法实现机器人的 自主避 障的研究设计． 使机器人具有了一定 的的 自主避障 性能。 1 红外测 距传 感器的选 择和布置 机器人避障常用 的传感测距技术 主要有超声 波传感测距 、激光雷达传感测距和红外传感测距 等 根据不 同传感测量技术 的特点和煤矿应用环 境． 选择 G P 2 D1 2型红外测距传感器 ． 其不仅工作稳 定性好、 重量轻 、 抗电磁干扰性强、 易于防爆 ， 而且 可实现无光条件下的非接触性测量 G P 2 D1 2型红 外测距传感器 ． 也称为长红外传感器 ． 其有效测量 范围 1 0 8 0 c m． 能够提供模拟量输 出． 输出值与距 离的关系是一种非线性的关系 其工作原理是根据 探测到的障碍物的距离输出相应的电压值 ． 距离越 远输出电压值越小。 距离越近输出值越大 在机器人周围布置 3个 G P 2 D1 2型红外测距传 感器 ， 如图 1 所示 。 其中 1 个安置在机器人正前方 ． 另外 2个对称分布在机器人两侧 ． 并且与正前方夹 角均为 4 5 ．这样很好地避免机器人前进过程中出 现障碍物探测盲点 正前 方 机 器 人 图 1 红外传感器布置图 2人工势场 自主避障 机器人常用 的避障方法有人工势场法 、栅格 法 、 神经 网络法 等 ， 其中人工势场法 以其数学计算 的简单明了被广泛应用。人工势场法是在机器人工 作环境中建立虚拟势场 ． 将环境信息转化为引力场 和斥力场模 型． 其中 目标方向为低势场也就是引力 一 5 0 第 3 1 卷第0 3 期 仿人型煤矿环境探测机器人 自主避障研究戴珊珊， 等 V o 1 ． 3 1 N o ． 0 3 场 ． 障碍物为高势场也就是斥力场 ， 构造 了障碍物 的斥力场和 目标的引力场共同作用的人工势场 ， 机 器人沿着势场降低 的方 向行进 。 仿人型煤矿环境探测机器人避 障的工作原理 是 机器人被设定好 目标方后开始前行 ， 同时在机 器人周围空间虚拟成一个人工势场 ． 红外测距传感 器实时的对机器人前进的方向进行障碍物的探测 ， 当红外测距传感器检测到障碍物时。 障碍物产生的 高势场改变了机器人 的人工势场 ， 产生斥力 ， 机器 人的控制单元采用人工势场法 ， 将红外传感器测到 的障碍物对机器人 的斥力与 目标方 向对机器人的 引力矢量合成 ． 作为机器人 的前进方 向 。 然后驱动 机器人调整到这个方 向 ． 接着向前行进 ． 并在行进 中不断调整方向． 锁定合力方 向。煤矿井下多为静 态环境 ． 人工势场法对于静态环境不仅避 障效果较 好而且便于实时控制 ． 非常适合应用于煤矿救灾机 器人的 自主避障 机器人所受合力 n 1 F n F F A 1 n l 一， 子 2 ． Ir d一 式中 F ． 一第 n个虚拟障碍物所施加的排斥力 ； F 目标方向对机器人的引力； 第 n个虚拟障碍物与机器人之间的方 向和距离信息 ， ， _单位矢量 ，其方 向沿机器人指向第 n 个虚拟障碍物 障碍物对机器人的斥力与距离的平方成反比 ． 这样距离障碍物越近． 机器人受到的斥力越大， 有利 一 个方向上 ， 探测出多个虚拟障碍物 ， 则只取与机器 人距离最近的那一个 3避障试验 为了验证该仿人型机器人 自主避障的效果 ． 在 实验室走廊上进行了试验。 在一条长 3 0 m东西走向 的走廊上 ．沿直线随机放置了一些高度超过 0 ． 1 m 的障碍物 ， 大小不一 ， 机器人放置于走廊的东端， 设 定好 向西行走的目标方向后 ． 机器人前进 ． 当机器人 在前方 0 ． 8 m左右开始检测的障碍物时 ．机器人 自 动的调整角度然后调整到正西方前进 ．不会碰到障 碍物 但是当障碍物较多。 尤其是机器人前方和两侧 同时出现较多的障碍物时 ， 机器人会在原地打转 ， 而 且传感器对于 0 ． 1 m距离 内的障碍物探测不到． 也 导致了机器人会碰到一些障碍。 4结语 该设计通过试验得到了预想 的效果 ． 机器人在 设定方 向后通过 自主避障能顺利 的避过障碍物 ． 并 且沿着设定 的方向前进 但是对于较复杂的障碍物 布置 ． 由于传感器本身 的特点 。 仍 旧出现了机器人 的避障失误 ，碰到障碍物 。 进一步提高仿人型煤 矿环境探测机器人的避 障能力将是以后 工作 的重 点。 参考文献 [ 1 ] 钱善华， 葛世荣， 王永胜， 等． 救灾机器人的研究现状 与煤矿救灾 的应用 [ J ] ． 机器人， 2 0 0 6 ， 2 8 3 3 5 0 3 5 4 ． f 2 ] 王勇， 朱华， 王永胜， 等． 煤矿救灾机器人现状及 需要重点解决的 技术问题[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 7 ， 2 8 4 1 0 7 1 0 8 ． [ 3 ] 张建英， 赵志萍， 刘暾．基于人工势场法 的机 器人 路径规划 [ J ] ． 哈尔滨工业 大学学报， 2 0 0 6 ， 3 8 8 1 3 0 6 ～ 1 3 0 9 ． 作者简介戴珊珊 1 9 7 5 一 ， 女 ， 安徽芜湖人 ， 中国矿业大学机 电 学院在职研究 生 。 徐州建筑 职业技术学 院讲师 ． 长期从事机 械设 计 和制造方面的教学和科研 ． 电子信箱 r a n lz c u mt 1 6 3 ． c o rn． 于避免机器人碰到障碍物 ； 在计算斥力时， 如果在同 责任编辑 卢盛春收稿日 期 2 0 0 9 1 1 1 8 本刊声明 煤矿机械 杂志连续 5次被认定为中文核心期刊， 黑龙江省优秀期刊 ， 列入 剑桥科学文摘 、 文摘杂 志 来源期刊。 本刊已加人“ 中国期刊网” 、 “ 万方数据网” 和“ 重庆维普网” ， 作者稿酬由杂志社一次付清。 本杂 志社属 自负盈 亏单位 ， 在本刊发表文章收发表费 ， 同时也付给作者稿酬 ， 如有不同意上 面所述者 ， 请来 函说 明， 本杂志社将适 当处理。投稿必须通过电子信箱发来 ． 投稿只能用 Wo r d排双栏版并请仔细阅读 ， 字数在 3 0 0 0 ～ 5 0 0 0字为宜。投稿之前 ， 请查看 mk j x ． c n网址投稿须知 。 在第一作者简介文末 留下联系电话 、 电子信 箱。 2 0 1 0年本刊仍为国家标准 A 4开本 。 2 4 0页， 定价每册 1 5元 。 全年 1 2册 1 8 0元 ， 订阅者可到当地邮局订 阅， 也可来函索取征订单 ， 欢迎订阅、 投稿。 2 0 1 0年本刊发布广告价格如下 老客户老价格 ， 新客户执行新价格， 多登优惠 元／ 版 ． 封面 彩色 1 0 0 0 0 封-- 彩色8 0 0 0 插页 彩页 封底 彩色 9 0 0 0 封三 彩色 7 5 0 0 插页 黑 白 插页 彩色半版 3 5 0 0 内页 黑 白 2 4 0 0 内页 半版 一 5l一 7 0 0 O 4 0 0 O 1 2 0 0