機器視覺的機器人混合路徑規(guī)劃原理及策略分析

1、    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(shù)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(shè)計詳細探究。關(guān)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(shù)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(jié)合

2、機器視覺技術(shù)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(fù)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(shè)定了

3、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(dāng)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(shè)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(dǎo)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

4、，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(dāng)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(dǎo)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)

5、，計算相關(guān)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(shè)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(fù)雜的事情，為此，針對不同的開發(fā)環(huán)境，相關(guān)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。

6、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(luò)傳輸協(xié)議無論是無線網(wǎng)絡(luò)傳輸還是有線網(wǎng)絡(luò)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

7、解決這個問題，本文視頻傳輸采用基于udp的rtp44通信協(xié)議。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的基于服務(wù)器/客戶機的控制模型，其中機器人系統(tǒng)作為服務(wù)器，遠程控制終端作為系統(tǒng)的客戶端。機器人服務(wù)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(quán)限控制模塊以及通信模塊，其中傳感器采集模塊負責(zé)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(quán)限控制模塊負責(zé)區(qū)別嘗試連接服務(wù)器的客戶端的權(quán)限信息，以此為依據(jù)分配給該客戶相應(yīng)的服務(wù)。在系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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

8、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(shè)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(wù)器端傳回的視頻，發(fā)送相關(guān)控制指令?？刂茖邮强蛻舳塑浖暮诵膶?，該層將用戶通過用戶層交互的輸入信息封裝成服務(wù)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(jié)語隨著計算機科學(xué)、控制算法及理論、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，機器人遠程控制技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用日益廣泛，在深海探險、惡劣工作環(huán)境中作業(yè)等領(lǐng)域也起著至關(guān)重要的作用。通過此次的理論研究，對實際的技術(shù)發(fā)展應(yīng)用就能起到積極促進作用。參考文獻：1周小鏡.基于改進a*算法的游戲地圖尋徑的研究d.成都：西南交通大學(xué)，2014，31（6）.2王會麗，傅衛(wèi)平，方宗德等.基于改進勢場函數(shù)的移動機器人路徑規(guī)劃j.機床與液壓，2012，30（6）.3黃興華.基于改進人工勢場法的移動機器人路徑規(guī)劃