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1、ISSN1000-0054清华大学学报(自然科学版)2000年第40卷第7期30/33CN11-2223/NJTsinghuaUniv(Sci&Tech),2000,Vol.40,No.7112116*基于激光雷达的移动机器人环境建模与避障杨明,王宏,何克忠,张钹(清华大学计算机科学与技术系;智能技术与系统国家重点实验室,北京100084)文摘:为了提高自主移动机器人运行的安全性和可靠性,1激光雷达的选择提出了一种基于激光雷达的距离信息进行环境建模和避障的方法。首先简要描述了激光雷达的工作原理,比较了几类激光雷达的基本工作原理是测量从
2、发送激光束常用的激光雷达,并介绍了激光测量系统(lasermeasure-到接收反射光的时间间隔(time-of-flight,TOF),mentsystem,LMS)。然后给出了一种用于移动机器人环境其中,反射光是从被测物体表面反射回来的,时间间建模和避障的算法-时变势场法,在此基础上提出了改进算隔TOF与被测距离成正比。目前,有3种常用的测法-多分辨率势场法,实验表明其性能优于原算法。最后讨论量该时间间隔的方法[2]:TOF法,直接测量发射光激光雷达在实际应用中的一些问题。目前,该方法已成功地束和反射光束离散脉冲的时间间隔;AMC
3、W法,通应用于清华室外移动机器人THMR-V。过测量调幅连续波(amplitude-modulatedcontinu-关键词:移动机器人;激光测距雷达;时变势场法;环境建ous-wave,AMCW)发射光束和反射光束的相位差模;避障来测量该时间间隔;FMCW法,通过测量调频连续中图分类号:TP242.6文献标识码:A波(frequency-modulatedcontinuous-wave,文章编号:1000-0054(2000)07-0112-05FMCW)发射光束和反射光束的差频来测量该时间间隔。在上述3种方法中,由于FMCW方法对
4、激光环境感知是移动机器人研究的关键技术之一。二极管的要求很高,因此很少使用。实际中常用的是机器人周围的环境信息可以用来导航、避障和执行TOF激光雷达和AMCW激光雷达。特定的任务。获取这些信息的传感器既需要足够大与二维激光雷达不同,三维激光雷达所获得的的视场来覆盖整个工作区,又需要较高的采集速率距离信息是完全三维的。因此,原始数据经过预处理以保证在运动的环境中能够提供实时的信息。后可以用来构造CAD模型或三维立体模型。然而,近年来,激光雷达在移动机器人导航中的应用三维激光雷达在实际应用中也存在一定的问题。激[1]日益增多。这主要是由于
5、基于激光的距离测量技光雷达的三维信息通常是通过两个机械控制的反射术具有很多优点,特别是其具有较高的精度。通过二镜扫描场景获得的,但是这将带来机械问题。此外,维或三维地扫描激光束或光平面,激光雷达能够以由于三维激光雷达采集的数据量远远大于二维激光较高的频率提供大量的、准确的距离信息。激光雷达雷达,因此通常需要更多的采集时间。在自主导航与其它距离传感器相比,能够同时考虑精度要求和中,数据采集时间是保证实时性的关键,而在多数的速度要求,这一点特别适用于移动机器人领域。此导航应用中,系统只需要知道物体的位置,而无需知外,激光雷达不仅可以在有环
6、境光的情况下工作,也道它的精确外形。因此,二维激光雷达更适用于移动可以在黑暗中工作,而且在黑暗中测量效果更好。机器人的导航应用。与TOF激光雷达相比较,AMCW激光雷达具收稿日期:1999-07-07作者简介:杨明(1975-),男(汉),江苏,博士研究生有较高的精度,这是因为它应用差频技术来测量相*基金项目:“九五”国防科技预研项目(16.10.1.6)和国位。然而,由于原理上的缺陷,AMCW激光雷达主家“八六三”高技术项目(863-512-20-02)要存在以下两个问题。第一个问题是二义性间隔。对杨明,等:基于激光雷达的移动机器人
7、环境建模与避障113于AMCW激光雷达来说,距离与相位差成正比关或数学描述的完美性,而是解决导航控制问题的效系,如下式果。一味地追求精度,往往会导致问题的复杂化,影r=λΔh/4π,(1)响算法的实时性、稳定性和鲁棒性。因此,环境描述其中λ为调制波波长。由于相位的模为2π,因此距应当在精度与速度的权衡中,采用定性定量相结合离的模为λ/2,称之为二义性间隔。原理上的内在缺的方法,寻求一个最优或满意的方案。陷导致了AMCW激光雷达无法唯一地确定所测量2.2时变势场法的距离,即它自身无法分辨距离r和r+λ/2,同时在实际环境中移动机器人是运
8、动的,它周围障也无法分辨两种不同调制频率的激光束。AMCW碍物也可能是运动的。因此,移动机器人的环境势场激光雷达只能测量二义性间隔以内物体的距离。由应该是动态时变的而不是静态的,它不仅是空间位此可以看出,AMCW激光雷达
