速度障碍法在多机器人避障运动中的应用

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张倩1邬旭2 | 1天津城建大学 2天津理工大学

摘要：多机器人系统运动过程中需要

同时进行静态避障和动态避障。速度障碍法是一种有效的避障方法，可以应用于多种情形。本文提出了多机器人系统在静态避障和动态避障中应用速度障碍法的方式，并对存在的问题进行了分析，提出了可行的解决方案。关键词：速度障碍；多机器人；静态避障；动态避障多机器人系统协同工作具有效率高、机动性强等优点，已经广泛应用于军事及民用领域，例如机器人的避障能力关系到机器人系统的安全，是顺利完成既定任务的前提保障。在机器人运动过程中，除了要躲避固定障碍物以外，还要避免各机器人间的相互碰撞，因此各种动态避障方法得到了深入研究。其中，速度障碍法是一种有效的动态避障方法，于20世纪90年代被提出[1]。该方法通过两机器人间的相对距离和几何轮廓，确定一个速度障碍锥，若两机器人的相对速度矢量在速度障碍锥内，则它们将会在一定时间间隔后发生碰撞。为了避免碰撞发生，应至少改变其中一个机器人的速度，使其重新计算的相对速度落在障碍锥以外。速度障碍法在机器人避障中效果显著。但由于多机器人系统具有较强的动态性，工作环境更加复杂，因此在多机器人系统中应用速度障碍法避障需要考虑的因素更为复杂，约束较多[2-

3]。以下将静态避障和动态避障两种情况对速度障碍法在多机器人运动中的应用进行分析。1 多障碍物的静态避障福建交通职业技术学院

机器人在复杂环境中，基本要求是躲避各类静态障碍物。静态障碍物的位置和

形状易于探测，应用速度障碍法避障的成

功率很高。但在多个障碍物的情况下，为

了做到同时避障，需要综合各障碍物的速

度障碍模型。采取主动避障措施的机器人，

由于自身具有一定的体积，且运行中需保

证一定的安全距离，通常将此主动避障的

机器人同障碍物的轮廓折合为一个圆形障

碍，而将机器人简化为一个运动质点，如

图1所示。A 点为主动避障机器人，B 和专利法

C 点分别为两障碍物的中心。根据机器人

及障碍物的体积和需要的安全距离，可以

确定圆形障碍的半径，进而构成障碍锥Ⅰ

和Ⅱ。在多障碍物的静态避障中， B 和C

为固定点。如果A 点速度在Ⅰ区域内，则

机器人会在时间间隔t1后与障碍物B 发

生碰撞；如果A 点速度在Ⅱ区域内，则机

器人会在时间间隔t2后与障碍物C 发生

碰撞。其中，Ⅰ和Ⅱ的重合区域需要特别

关注，若速度在此区域内则会相继与两个

障碍物发生碰撞。因此，图1中所有阴影

区域都是速度障碍区域，机器人A 需要调

整现有速度，使其落在阴影区域以外，以

保证不会与任何一个障碍物发生碰撞。在

崔尔杰

静态避障中，只要合理应用速度障碍法，

就能够达到机器人安全运动的目的。

sony cr332 多机器人的动态避障

多机器人运动系统中，除了对多障碍物的静态避障之外，机器人相互间的动态

避障也是需要解决的关键问题。动态避障

需要考虑障碍物的速度变化，因此所涉及问题比起静态避障更多。在图1中，假设B 和C 是两个动态障碍物，为了避免发生碰撞，应改变相对速度V AB 、V AC ，使其变化到Ⅰ和Ⅱ以外的区域。在B 和C 不

错位关系

会发生碰撞的前提下，可以考虑只改变A 点速度，从而同时改变相对速度。但只有在B 和C 分别在时间t 1和t 2内保持原速度不变的情况下，才能实现成功避障，因此主动运动的机器人A 需要预知动态障碍物的运动规划情况。如果无法获取障碍物未来的确切运动轨迹，则可根据障碍物之前的运动参数对其运动轨迹进行预测，按照预测轨迹及速度进行避障。但在实际情况中，机器人的运动轨迹可能不是直线，而是具有一定曲率半径的曲线，或是由于机器人自身的非完整约束，无法实现速度的瞬间变化。这时需要对机器人的速度变化时间进行计算，适当延长时间间隔t 1和t 2。另外在多机器人运动时容易陷入局部震荡，即避障双方由于采取相同的避障方法，导致同步运动，从而无法走出运动循环，发生局部震荡。此类问题的直接解决方法是定义机器人的优先级，规定先后动作顺序，避免同步运动。3 结语多机器人系统的避障问题具有复杂性，需要综合考虑障碍物和机器人运动状态。应用速度障碍法的静态避障较易实现，要合理规定机器人的避障时机，保持安全距离。在动态避障中，障碍物的速度可能发生变化，轨迹未知的情况下要对障碍物轨迹进行预测。由于机器人自身结构限制，大部分具有非完整约束，应按照机器人的具体结构规划轨迹。同时定义机器人的优先级可以避免运动的局部震荡。因此，速度障碍法可以应用于多机器人的避障运动中，根据系统特点对算法进行局部改进，可以达到良好的避障效果。参考文献[1]Fiorini P，Shiller Z.Motion planning in dynamic environments u s i n g t h e r e l a t i v e v e l o c i t y paradigm[C]//IEEE International C o n f e r e n c e o n R o b o t i c s a n d Automation.Piscataway，NJ，USA：IEEE,1993:560-565.[2]杨秀霞，华伟，孟启源.基于有限时间速度障碍法的UAV 避障研究[J].弹箭与制导学报,2018,38(5):25-28+32.[3]杨秀霞，周硙硙，张毅.基于速度障碍法的多UAV 可飞行航迹优化生成[J].系统工程与电子技术

,2015,37(2):15.图1 速度障碍法原理示意图

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