機器視覺的機器人混合路徑規(guī)劃原理及策略分析

徐秋錦

摘 要：機器人的遠程控制技術突破了傳統(tǒng)現(xiàn)場控制方式的空間限制的同時，也增強了機器人的自主性。本文主要就人工勢場法的機器人局部路徑規(guī)劃方法進行闡述，然后對混合路徑規(guī)劃原理和混合路徑規(guī)劃流程加以分析，最后就機器人遠程控制系統(tǒng)設計詳細探究。

關鍵詞：機器視覺；機器人；遠程控制

機器人的路徑規(guī)劃是機器人遠程控制技術的研究熱點，機器人首先感知外部環(huán)境信息，分析處理這些信息并作出決策，規(guī)劃出自身的運動路徑。機器人主要通過傳感器感知外部環(huán)境信息。相比其他傳感器，視覺傳感器為機器人提供了較為全面的環(huán)境信息，結合機器視覺技術進行路徑規(guī)劃，增強了機器人理解外部環(huán)境信息的能力，提高了路徑規(guī)劃的效果。

1人工勢場法的機器人局部路徑規(guī)劃方法

在實際情況中，很少出現(xiàn)絕對的局部極小值問題，大部分情況為局部陷阱問題，局部極小值可以認為是局部陷阱的一種。局部陷阱的主要特征是在一個區(qū)域內(nèi)往復運動或者停止，但是無法走出該區(qū)域。在動態(tài)環(huán)境避障過程中，由于動態(tài)障礙物的位置時刻變化，在動態(tài)障礙物的避障過程中，其產(chǎn)生的斥力方向不斷變化，不容易陷入局部陷阱。機器人在成功避開動態(tài)障礙物中，環(huán)境中的靜態(tài)障礙物對其也有斥力影響，在針對靜態(tài)障礙物的避障過程中，由于障礙物位置固定，對機器人的合力方向固定，機器人容易陷入局部陷阱，為此，我們設定了機器人是否陷入局部陷阱的判定依據(jù)，檢測機器人是否陷入局部陷阱之中。

我們可以依據(jù)歷史的路徑特性判斷機器人是否處于局部陷阱。首先以機器人當前位置C1為圓心，選取斥力的影響范圍。為半徑畫圓，作為局部陷阱檢測圓。然后設定一個檢測間隔時間t，保證經(jīng)過時間t機器人可以走出局部陷阱檢測圓。機器人運動t時間后，檢測其位置C2，如果C2還在局部陷阱檢測圓之內(nèi)說明機器人陷入了局部陷阱之中。

2混合路徑規(guī)劃原理和混合路徑規(guī)劃流程分析

2.1混合路徑規(guī)劃原理分析

混合路徑規(guī)劃利用環(huán)境中的全局信息，在全局環(huán)境的柵格化地圖下通過A*路徑規(guī)劃算法得出全局路徑指導機器人運動。機器人沿全局路徑運行時，通過安裝在機器人身上的局部攝像頭，探測機器人周圍是否存在局部障礙物。檢測到局部障礙物，機器人通過一定的方法分辨局部障礙物的類型，針對不同類型的局部障礙物，機器人執(zhí)行不同的避障策略。當檢測到的局部障礙物為靜態(tài)局部障礙物，由于靜態(tài)局部障礙物位置固定，檢測之后可認為靜態(tài)局部障礙物為已知信息，將其更新到全局地圖之中。更新地圖之后，機器人有兩種避開靜態(tài)局部障礙物的方法，一種是靜態(tài)環(huán)境下的人工勢場法執(zhí)行局部路徑規(guī)劃，另一種是通過柵格地圖執(zhí)行A*搜索全局路徑規(guī)劃。

2.2混合路徑規(guī)劃流程分析

混合路徑規(guī)劃方法的主要過程是先通過先驗性的全局信息得出全局最優(yōu)路徑，指導機器人沿全局最優(yōu)路徑運行，某一時刻檢測到局部視野中存在局部障礙物，判斷其狀態(tài)參數(shù)，計算相關的輸入?yún)?shù)執(zhí)行局部路徑規(guī)劃，局部路徑規(guī)劃執(zhí)行中機器人遠離全局最優(yōu)路徑，重新執(zhí)行全局路徑規(guī)劃，反之回到全局最優(yōu)路徑上，繼續(xù)運行。

3機器人遠程控制系統(tǒng)設計探究

實現(xiàn)視頻傳輸包括如下步驟，分別是：視頻采集、視頻壓縮編碼、視頻封裝、視頻傳輸、視頻解包、視頻解碼及視頻顯示等。

3.1視頻采集

視頻采集是攝像頭對實際環(huán)境進行采樣的一個過程，通過軟件開發(fā)底層控制視頻采集是非常復雜的事情，為此，針對不同的開發(fā)環(huán)境，相關公司提供了不同的軟件開發(fā)包降低視頻米集的難度，如Windows系統(tǒng)下的VFW（Video for Windows），Linux系統(tǒng)下的V4L2（Video for Linux two）等等。針對不同的開發(fā)環(huán)境，我們可以選擇不同的開發(fā)軟件工具進行視頻采集。

3.2視頻壓縮編碼及解碼

視頻數(shù)據(jù)采集完成后，需要對視頻進行壓縮編碼，減少傳輸視頻的數(shù)據(jù)量。視頻壓縮編碼是摒棄采集的視頻信息中的冗余成分，保留人眼可識別的敏感部分。視頻壓縮算法主要包含H.263以及MPEG-4系列，其中MPEG-4的視頻壓縮比較好，逐漸成為視頻壓縮的主流算法。

3.3網(wǎng)絡傳輸協(xié)議

無論是無線網(wǎng)絡傳輸還是有線網(wǎng)絡傳輸，其內(nèi)部的通信協(xié)議都是一致的，區(qū)別在于通信的載體，無線通信為WLAN等無線環(huán)境，有線通信為通信電纜。控制指令傳輸通常采用TCP協(xié)議，保證了控制指令數(shù)據(jù)的正確性，然而TCP協(xié)議的實時性差，不適用于視頻傳輸，為了解決這個問題，本文視頻傳輸采用基于UDP的RTP[44]通信協(xié)議。

系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的基于服務器/客戶機的控制模型，其中機器人系統(tǒng)作為服務器，遠程控制終端作為系統(tǒng)的客戶端。機器人服務端中，包含傳感器采集模塊、視頻采集模塊、指令執(zhí)行模塊、權限控制模塊以及通信模塊，其中傳感器采集模塊負責采集機器人本身的狀態(tài)信息，如運動速度、運動位移等。視頻采集模塊采集視頻并壓縮。指令執(zhí)行模塊執(zhí)行從遠程控制終端發(fā)過來的控制指令。權限控制模塊負責區(qū)別嘗試連接服務器的客戶端的權限信息，以此為依據(jù)分配給該客戶相應的服務。

在系統(tǒng)的硬件結構中，無線通信模塊可以采用基于IEEE802.11標準的無線網(wǎng)卡，現(xiàn)場控制器可以選用以ARM、單片機為主控板的嵌入式系統(tǒng)，也可以采用以傳統(tǒng)的PC機加運動控制卡的形式。系統(tǒng)可采用傳統(tǒng)的PC機作為遠程控制終端，也可以采用平板電腦、智能手機等智能移動設備。

用戶層主要實現(xiàn)用戶與遠程控制終端之間的交互，通過用戶層，用戶可以觀察機器人服務器端傳回的視頻，發(fā)送相關控制指令。

控制層是客戶端軟件的核心層，該層將用戶通過用戶層交互的輸入信息封裝成服務器端能夠識別的指令包，同時解析客戶端通過通信層接收到的指令包，對視頻包進行解壓縮操作。

4結語

隨著計算機科學、控制算法及理論、人工智能技術的快速發(fā)展，機器人遠程控制技術在日常生活中的應用日益廣泛，在深海探險、惡劣工作環(huán)境中作業(yè)等領域也起著至關重要的作用。通過此次的理論研究，對實際的技術發(fā)展應用就能起到積極促進作用。

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