基于激光雷达的移动机器人环境建模与避障.pdf

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1、杨明等，基于激光雷达的移动机器人环境建模与避障《清华大学学报（自然科学版）》2000年Vol.40No.7P.112-116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，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1激光雷达的选择方法。首先简要描述了激光雷达的工作原理，比较了几类常激光雷达的基本工作原理是测量从发送激光束用的激光雷达，并介绍了激光测量系统（lasermea

2、surementsystem，LMS）。然后给出了一种用于移动机器人环境建模和到接收反射光的时间间隔（time-of-flight，TOF），其避障的算法－时变势场法，在此基础上提出了改进算法－多中，反射光是从被测物体表面反射回来的，时间间隔分辨率势场法，实验表明其性能优于原算法。最后讨论激光TOF与被测距离成正比。目前，有3种常用的测量雷达在实际应用中的一些问题。目前，该方法已成功地应用该时间间隔的方法[2]：TOF法，直接测量发射光束和于清华室外移动机器人THMR－V。反射光束离散脉冲的时间间隔；A

3、MCW法，通过测关键词：移动机器人；激光测距雷达；时变势场法；环境量调幅连续波（amplitude-modulated建模；避障continuous-wave，AMCW）发射光束和反射光束的相中图分类号：TP242.6文献标识：A位差来测量该时间间隔；FMCW法，通过测量调频连续波（frequency-modulatedcontinuous-wave，文章编号：1000-0051(2000)07-0116-05FMCW）发射光束和反射光束的差频来测量该时间间环境感知是移动机器人研究的关键技术之一。隔。在

4、上述3种方法中，由于FMCW方法对激光二机器人周围的环境信息可以用来导航、避障和执行特极管的要求很高，因此很少使用。实际中常用的是定的任务。获取这些信息的传感器既需要足够大的视TOF激光雷达和AMCW激光雷达。场来覆盖整个工作区，又需要较高的采集速率以保证与二维激光雷达不同，三维激光雷达所获得的在运动的环境中能够提供实时的信息。距离信息是完全三维的。因此，原始数据经过预处理近年来，激光雷达在移动机器人导航中的应用后可以用来构造CAD模型或三维立体模型。然而，[1]日益增多。这主要是由于基于激光的距离测量

5、技术三维激光雷达在实际应用中也存在一定的问题。激光具有很多优点，特别是其具有较高的精度。通过二维雷达的三维信息通常是通过两个机械控制的反射镜或三维地扫描激光束或光平面，激光雷达能够以较高扫描场景获得的，但是这将带来机械问题。此外，由的频率提供大量的、准确的距离信息。激光雷达与其于三维激光雷达采集的数据量远远大于二维激光雷它距离传感器相比，能够同时考虑精度要求和速度要达，因此通常需要更多的采集时间。在自主导航中，求，这一点特别适用于移动机器人领域。此外，激光数据采集时间是保证实时性的关键，而在多数的导航雷

6、达不仅可以在有环境光的情况下工作，也可以在黑应用中，系统只需要知道物体的位置，而无需知道它暗中工作，而且在黑暗中测量效果更好。的精确外形。因此，二维激光雷达更适用于移动机器人的导航应用。与TOF激光雷达相比较，AMCW激光雷达具有较高的精度，这是因为它应用差频技术来测量相位。收稿日期：1999-07-07然而，由于原理上的缺陷，AMCW激光雷达主要存作者简介：杨明（1975-），男（汉），江苏，博士研究生在以下两个问题。第一个问题是二义性间隔。对于基金项目：九五国防科技预研项目（16.10.1.6）和国

7、家AMCW激光雷达来说，距离与相位差成正比关系，“八六三”高技术项目（863-512-20-02）如下式1杨明等，基于激光雷达的移动机器人环境建模与避障《清华大学学报（自然科学版）》2000年Vol.40No.7P.112-116r????4?，(1)精度与速度的权衡中，采用定性定量相结合的方法，其中?是调制波波长。由于相位的模为2?，因此距寻求一个最优或满意的方案。离的模为?2，称之为二义性间隔。原理上的内在缺2.2时变势场法陷导致了AMCW激光雷达无法唯一地确定所测量的在实际环境中移动机器人是运动的

8、，它周围障距离，即它自身无法分辨距离r和r??2，同时也碍物也可能是运动的。因此，移动机器人的环境势场无法分辨两种不同调制频率的激光束。AMCW激光应该是动态时变的而不是静态的，它不仅是空间位置雷达只能测量二义性间隔以内物体的距离。由此可以?x,y?的函数，而且也应该是时间t的函数。可以借看出，AMCW激光雷达的最大测距范围受调制波波助Maxwell’s方程来描述移动机器人的时变环境势场长限制。第二个问题是混合象素问题。混合象素是指[4]，