基于webots的機器人避障及物體識別仿真

靳曉英

（北方民族大學電氣信息工程學院，甘肅銀川，750021）

基于webots的機器人避障及物體識別仿真

靳曉英

（北方民族大學電氣信息工程學院，甘肅銀川，750021）

本文運用webots對機器人在家庭環境下物體識別可能遇到的問題進行了模擬仿真，驗證其可行性。主要完成了對家庭環境和機器人模型的搭建及控制程序的編寫并以此實現機器人避障和物體識別。仿真結果表明，此方法可行。為今后的算法改進奠定了基礎。

webots建模；避障；物體識別；surf算法；最優匹配

0 引言

隨著科學技術的快速發展，機器人被廣泛的應用于工業、家庭、教育等多個領域。特別是服務機器人，發展前景廣闊。家庭服務機器人實現商品化勢在必行。

本文運用webots仿真平臺，通過對環境和機器人的搭建及控制程序的編寫來實現機器人自主避障和物體識別，以此來驗證其合理性。

1 Webots仿真軟件簡介

Webots是用于建模，編程和模擬移動機器人的開發環境。可以3D 描述機器人的特性和環境世界。不僅提供了多種成型機器人模型，而且支持用戶搭建自己的仿真環境和機器人模型，實現特定情況的仿真。webots支持c，c++、Python等多種編程語言，方便使用者對機器人進行編程控制。

2 仿真模型的設計及運動控制

2.1 模型搭建

Webots提供了多種模擬現實世界的節點，可以根據需要選擇相應的節點并通過改變參數來實現模型的搭建 。本文中的仿真模型包括場景模型和機器人模型兩部分。

場景模型依照現實家庭環境進行搭建。面積選擇8*8m。其中的家庭常見物品則按照現實中的大小進行選取。

機器人節點包括機器人的身體，一個差動輪，兩個距離傳感器,一個攝像機和一支筆。

差動輪用于實現兩輪機器人，且可提供差動轉向功能。距離傳感器用于測量其與障礙物之間的距離。通過檢測一個或多個傳感器射線與環境中的物體之間的碰撞來執行該裝置模擬。 攝像機用來采集測試圖像。本文選用“Color”攝像頭。“Color“攝像頭屬于普通攝像頭，主要用來采集彩色圖像。筆主要是用來顯示機器人的路徑，方便查看實現情況。

Webots中的機器人模型的主體結構是一個由solid節點連接在一起的樹型結構。其中，差動輪節點可自己作為基礎節點，也可以選擇機器人節點作為根節點。 任何其他類型的機器人需要使用機器人作為基礎節點。本文中選擇差動輪作為基礎節點， 其他的節點作為直接子節點包含在基礎節點中。

差動輪根節點的坐標是以車輪中心的地平面上的投影為基準，而子節點以根節點的坐標為基準。其中兩個距離傳感器置于機器人身體節點的前方，左右各一個。攝像機放置于機器人身體的上方。

2.2 運動控制

仿真開始后，機器人以恒定速度運動。同時，通過wb_robot_ get_device（）函數和wb_distance_sensor_enable（），wb_ camera_enable（）函數來獲取和啟動距離傳感器和攝像機，之后通過wb_distance_sensor_get_value（）和wb_camera_get_ image（），wb_camera_save_image（）獲取距離傳感器的值并實現圖像的采集和保存。對于距離傳感器閾值的設定是依據webots中提供的有關距離傳感器的lookupTable表進行設定的。其作用是用于指定設備的所需響應曲線和噪聲。指示如何將由Webots測量的射線交點距離映射到由函數wb_distance_sensor_get_value（）返回的響應值上。

本文中為了同時確保避障和識別的效果，選取閾值為600.當兩個距離傳感器的值均大于600時，后退并轉向90度后繼續運動，若只有左邊的傳感器值超過600則向右轉，反之向左轉。

3 物體識別

本文采用基于局部特征的方法進行物體識別。目前，較高效的局部特征檢測算子是SIFT和SURF。SURF算法可以簡單的描述為SIFT算法的升級版，在保留SIFT優秀性能的同時提升了處理速度。所以，本文采用surf算法。提取出特征點后會再對其進行篩選，選擇出最佳匹配點進行匹配，降低誤匹配率。

由于surf算法屬于高速特征采集算法，且最優匹配只匹配有限個數的最優點，所以該方法兼具了魯棒性和實時性。

4 仿真實驗

實驗結果如圖1、圖2所示。

圖1 機器人避障的仿真效果

圖2 最優匹配的效果

5 結束語

本文運用webots仿真平臺，對家庭環境和機器人進行建模并對機器人避障和物體識別進行仿真，驗證其可行性。實驗結果表明，此方法可行，為今后機器人物體識別的研究和改進奠定了基礎。

[1]webots官方網站. http://www.cyberbotics.com/guide.

[2] webots官方網站. http://www.cyberbotics.com/reference.

[3]高越，馬行，周凱，李偉順.基于webots的汽車起重機建模及控制研究[J].信息與電腦,2016,(6):60-61.

[4]朱曉莉.家庭服務機器人物體識別與抓取的研究[D].浙江：中國計量學院，2013.

[6] 趙 燁,蔣建國,洪日昌. 基于空間約束的快速魯棒特征匹配優化[J].電子與信息學報.2014,86(11)：2571-2577.

Simulation of Obstacle Avoidance and Object Recognition by robot Based on Webots

Jin Xiaoying
(School of Electrical and Information Engineering, BeiFang University of Nationalities,Yinchun Gansu,750021)

In this paper, the webots simulation platform is used to simulate the problems that the robot can encounter in the family environment and verify its feasibility. Mainly completed the family environment and robot model to build and control procedures for the preparation and implementation of the robot obstacle avoidance and object recognition. The simulation results show that this method is feasible. Lay the foundation for future algorithm improvement.

webots Modeling;Obstacle avoidance;object recognition;surf algorithm;Optimal match