基于接触时间的移动机器人安全导航
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摘 要：自主移动机器人在动态未知环境中导航存在安全隐患。为了提高导航安全性，提出一种基于接触时间的导航环境表示方法，即接触时间空间。将接触时间作为导航环境中危险评价指标，利用线速度和角速度计算机器人与障碍物之间任意两点接触时间，通过算法将导航过程中的构型空间映射为接触时间空间。将接触时间空间应用于经典行为动力学导航方法，与经典行为动力学导航方法和结合速度障碍物的行为动力学的导航方法仿真对比，结果表明接触时间空间可以提高自主移动机器人的导航安全性。
关键词：移动机器人；安全导航；动态环境；接触时间；行为动力学
0 引言
自主移动机器人导航是机器人学的基本问题，随着多年来学者不懈努力，已提出了大量自主机器人导航方法，但在未知环境中存在运动障碍物且行为不能准确预测，故动态未知环境下导航安全问题仍是自主移动机器人研究的重点。
针对导航中的安全问题，Fraichard等[1]和Chan等[2]分别提出了不可避免碰撞状态（Inevitable Collision States， ICS）和不可避免碰撞区域（Regions of Inevitable Collision，RIC）概念。Fraichard[3]进一步研究了Nearness Diagram、Dynamic Window和Velocity Obstacle[4]三种经典导航方法的安全性，证实三种方法都存在碰撞危险，并总结了安全导航的三条基本准则，即机器人安全导航必须考虑：机器人自身动态特性，环境中障碍物运动行为，以及导航规划受到时间限制。
接触时间又被称为碰撞时间（Time to Contact，TTC），是指在机器人与障碍物相对速度保持不变的情况下，机器人与障碍物发生碰撞的最短时间，是评价碰撞危险的通用量度[5]。计算机器人与障碍物的接触时间需要考虑机器人自身的动态特性和环境中障碍物的运动特性，并且接触时间自身是机器人导航的安全时间限制，故将接触时间应用于导航方法中，可以同时满足Fraichard提出的安全三条基本准则。
基于此种思想，本文提出一种利用接触时间表示导航环境的方法，即接触时间空间表示法。将导航过程的构型空间（Configuration Space）映射为接触时间空间，接触时间空间可以直观观察导航的时间约束。以经典行为动力学导航方法作为仿真导航方法，为保证能够应用接触时间空间，对行为动力学导航方法进行改进。对比仿真证实引入接触时间空间可以提高行为动力学导航方法的安全性。
1 接触时间空间
神经学家证实计算接触时间是大脑皮层的重要功能，是生物避开危险的重要指标，并且生物在躲避危险时仅计算接触时间而无需计算危险来源的位置信息和速度信息[6]。接触时间早期被应用于船舶避障，近几年，机器人与智能车辆导航控制开始将接触时间作为避碰指标[7]。本章提出一种基于接触时间的导航环境表示方法。
4 结语
本文提出了适于机器人导航应用的接触时间计算方法，该方法利用线速度和角速度求取任意形状障碍物和机器人上两点的接触时间，并提出接触时间空间的导航环境表示方法，对比仿真实例证实了接触时间空间的环境表示方法有助于提高机器人的导航安全性。经典行为动力学导航方法中线速度为常量的假设限制了该方法的应用，在接触时间空间中行为动力学导航方法的线速度控制将是作者进一步研究的内容。
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