基于單目視覺的自主牽引機(jī)器人研究

王 京，王 霆，李金義，齊立哲

WANG Jing1, WANG Ting 1 , LI Jin-yi1 ,QI Li-zhe2

(1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車制造技術(shù)系，北京 100026；2. 智通機(jī)器人技術(shù)有限公司，廊坊 030001）

0 引言

機(jī)器人有兩個(gè)發(fā)展階段：普通機(jī)器人和智能機(jī)器人。普通機(jī)器人只能準(zhǔn)確地重復(fù)執(zhí)行某些簡(jiǎn)單的規(guī)定動(dòng)作；智能機(jī)器人則可像人類一樣自主完成一些復(fù)雜任務(wù)。智能機(jī)器人與普通機(jī)器人的區(qū)別是增加了各種傳感器，具有了感知、決策等能力能夠自主實(shí)現(xiàn)軌跡的規(guī)劃[1,2]。視覺是機(jī)器人獲取周圍世界信息最重要的來源之一，為智能機(jī)器人系統(tǒng)提供周圍的環(huán)境信息。視覺測(cè)量分類方法有多種,按所用視覺傳感器數(shù)量可以分為單目視覺、雙目視覺等。單目視覺雖然缺少了環(huán)境的立體信息，但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易標(biāo)定，同時(shí)還能避免立體視覺中的視場(chǎng)小、立體匹配難的缺陷，在移動(dòng)機(jī)器人中的研究仍然十分常見，特別是針對(duì)已知特征的物體的跟蹤場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用[3～6]。

本文采用單目相機(jī)設(shè)計(jì)了一種在空間內(nèi)能夠跟蹤靶標(biāo)的自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，它主要包括單目視覺系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)、無線模塊、上位機(jī)及控制軟件。上位機(jī)控制軟件首先對(duì)通過無線圖像采集模塊獲得圖像進(jìn)行圖像處理與特征提取，獲得靶標(biāo)的在圖像坐標(biāo)系下的當(dāng)前位置信息，然后與靶標(biāo)的目標(biāo)位置進(jìn)行比對(duì)，獲得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制量，進(jìn)而控制機(jī)器人始終跟蹤靶標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)了基于圖像的機(jī)器人在空間位置控制過程。

1 機(jī)器人系統(tǒng)硬件組成介紹

設(shè)計(jì)的基于單目視覺系統(tǒng)的自主牽引機(jī)器人系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

它由一四輪機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)、無線控制模塊、單目相機(jī)、無線圖像模塊、上位機(jī)及控制軟件組成。其中機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)采用奧松機(jī)器人公司設(shè)計(jì)的基于Arduino的開放四輪機(jī)器人平臺(tái)，它的控制器是一個(gè)基于開放源代碼的USB接口的Simple I/O接口板（包括PWM輸出及ADC輸入輸出通道），能通過編程方便控制機(jī)器人平臺(tái)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及停止等基本操作；無線控制模塊是一種多通道嵌入式無線傳輸模塊，其可設(shè)置很多的頻道，步進(jìn)精度可為1khz，發(fā)送功率高達(dá)20mW，通過串口通訊的方式，通過安裝在上位機(jī)上的發(fā)送端發(fā)送指令，安裝在機(jī)器人平臺(tái)上的接收端接收指令，便可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制；視覺系統(tǒng)采用CCD單目相機(jī)，安裝在機(jī)器人平臺(tái)上，可以實(shí)時(shí)采集靶標(biāo)圖像；無線圖像模塊包含一發(fā)射端及接收端，接收端安裝在上位機(jī)上，發(fā)送端與相機(jī)相連并安裝在機(jī)器人平臺(tái)上。

2 軟件功能模塊及工作流程

根據(jù)機(jī)器人自主牽引過程，軟件主要包括圖像采集、圖像處理與特征提取、牽引算法規(guī)劃與控制等功能模塊，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。系統(tǒng)開始工作后，由單目相機(jī)采集圖像并通過無線圖像模塊發(fā)送端發(fā)送圖像數(shù)據(jù)給上位機(jī)，上位機(jī)通過接收端接收到圖像后，先進(jìn)行圖像處理，將靶標(biāo)從背景圖像中提取出來，然后進(jìn)行特征提取，提取出靶標(biāo)的特征數(shù)據(jù)（球靶標(biāo)球心及半徑）；然后根據(jù)自主牽引算法對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃，并通過無線控制模塊發(fā)送端將運(yùn)動(dòng)指令發(fā)送給遠(yuǎn)程機(jī)器人平臺(tái)，機(jī)器人通過接收端接收到運(yùn)動(dòng)命令后，便會(huì)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)命令，從而逐步跟蹤靶標(biāo)位置。

圖2 系統(tǒng)工作流程

3 核心模塊介紹及實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主牽引過程的核心模塊為靶標(biāo)圖像處理與特征提取及牽引過程控制。

3.1 圖像處理與特征提取

本系統(tǒng)采用乒乓球作為跟蹤靶標(biāo)，理論上球狀的乒乓球在CCD上成的像為一圓且顏色一般為黃色，根據(jù)這些特征，便可以采用基于顏色分割的方法及重心法便可以提取出乒乓球在圖像坐標(biāo)系下的球心坐標(biāo)值及半徑。具體計(jì)算公式如下：

其中：Rx, Ry, r 分別為靶標(biāo)球心在視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值及以像素為單位的靶標(biāo)半徑值；Ix,Iy分別為通過通過圖像分割后的靶標(biāo)特征上各個(gè)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)值； 為提取出來的靶標(biāo)特征的像素?cái)?shù)目。根據(jù)這一過程提取出來的靶標(biāo)兩個(gè)位置上的特征如圖3所示：

圖3 靶標(biāo)在不同位置特征提取結(jié)果

3.2 跟蹤過程控制

單目視覺系統(tǒng)一般會(huì)丟失深度信息，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人空間內(nèi)的靶標(biāo)跟蹤過程，需要借助靶標(biāo)的已知特征及基于圖像的控制策略對(duì)機(jī)器人進(jìn)行跟蹤控制。首先設(shè)定一目標(biāo)圖像，對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行圖像處理及特征提取，便可以獲得靶標(biāo)的目標(biāo)圓心位置及半徑，記為RxG,RyG,rG；同樣對(duì)當(dāng)前圖像進(jìn)行處理及特征取，也會(huì)獲得當(dāng)前靶標(biāo)的圓心位置及半徑，記為RxC,RyC,rC。如圖4所示。

從圖像可知，機(jī)器人與靶標(biāo)的距離決定了靶標(biāo)半徑的大??；機(jī)器人與靶標(biāo)的方位決定了靶標(biāo)圓心在在圖像中的位置。根據(jù)這一規(guī)律，可建立基于圖像的機(jī)器人控制策略如下。

1）機(jī)器人前進(jìn)：當(dāng)前半徑小于目標(biāo)半徑

2）機(jī)器人后退：當(dāng)前半徑大于目標(biāo)半徑

3）機(jī)器人左轉(zhuǎn)：當(dāng)前靶標(biāo)在目標(biāo)靶標(biāo)的右側(cè)

4）機(jī)器人右轉(zhuǎn)：當(dāng)前靶標(biāo)在目標(biāo)靶標(biāo)的左側(cè)

圖4 目標(biāo)與當(dāng)前圖像對(duì)比圖

圖5 靶標(biāo)在初始位置

圖6 靶標(biāo)在目標(biāo)位置

圖7 機(jī)器人跟蹤靶標(biāo)過程

4 結(jié)束語

本文采用單目視覺系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了靶標(biāo)的機(jī)器人自主牽引方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自主牽引過程。后續(xù)可考慮采用高性能相機(jī)及優(yōu)化圖像處理算法，進(jìn)一步提高機(jī)器人牽引速度。

[1] 孟慶春,齊勇,張淑軍,杜春俠,殷波,高云.智能機(jī)器人及其發(fā)展[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004, (05).

[2] 董硯秋.智能機(jī)器人概述[J].網(wǎng)絡(luò)與信息,2007,(07).

[3] 張遠(yuǎn)輝,韋巍,虞旦.基于實(shí)時(shí)圖像的乒乓機(jī)器人Kalman跟蹤算法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2009,(09).

[4] 弋英民,劉丁.基于單目視覺的輪式機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2010,(01).

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[6] 劉磊,王永驥.基于單目視覺的機(jī)器人動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤[C].Proceedings of the 26th Chinese Control Conference July 26-31,2007,Zhangjiajie,Hunan, China.