基于RGB—D系統(tǒng)的清掃機(jī)器人與傳統(tǒng)清掃機(jī)的路徑對比研究

林財(cái)?shù)隆屈S懿　余羅兼

摘要：通過對比傳統(tǒng)觸碰式家用移動清掃機(jī)器人和采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機(jī)器人實(shí)際工作路徑效果，發(fā)現(xiàn)兩者的總體路徑相率是相當(dāng)?shù)摹２捎肦GB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機(jī)器人的路徑效果略低，這與視場規(guī)劃及使用環(huán)境的光線有很大關(guān)系。通過本次的對比試驗(yàn)，對工程設(shè)計(jì)人員的進(jìn)一步開發(fā)有著重要意義。

關(guān)鍵詞：清掃機(jī)器人 RGB-D 路徑規(guī)劃

中圖分類號：TG502.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）04-0078-02

Abstract：In this paper， by comparing the traditional touch home mobile cleaning robot and the RGB-D visual system using domestic mobile cleaning robot path effect in practical work， found the general path fraction both is quite. RGB-D visual system using the domestic mobile cleaning robot path effect is slightly low， which has much to do with the field planning and the use of the environment light. Through the contrast test of the time， is of great significance to further development of the engineering design personnel.

Key Words：cleaning robot， RGB-D，path planning

隨著服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)，家用移動清掃機(jī)器人已經(jīng)得到普及并獲得一定的市場認(rèn)可度。然而，當(dāng)前市場上銷售的家用移動清掃機(jī)器人主要配置接觸傳感器，其算法及相關(guān)控制模塊的研究已相對成熟；而配置RGB-D視覺為傳感器件的機(jī)器人剛進(jìn)入市場，其相關(guān)研究和探索還有待進(jìn)一步深入。RGB-D視覺系統(tǒng)通過整合一個標(biāo)準(zhǔn)RGB攝像機(jī)和一個深度傳感器，從而獲得周圍環(huán)境的三維空間信息。家用移動清掃機(jī)器人開發(fā)領(lǐng)域中的一個重要分支是路徑規(guī)劃技術(shù)，即在達(dá)到系統(tǒng)規(guī)劃評價指標(biāo)最優(yōu)的前提下計(jì)算出一條在設(shè)定范圍內(nèi)從出發(fā)點(diǎn)到終止點(diǎn)且經(jīng)過所有要求點(diǎn)的連續(xù)路徑。路徑規(guī)劃的方法比較多，大致可以分為兩種：基于任務(wù)導(dǎo)向的路徑規(guī)劃方法和基于行為導(dǎo)向的路徑規(guī)劃方法。前者對環(huán)境感知的要求較高，是一種靜態(tài)規(guī)劃方法；后者主要使用在未知環(huán)境中，是一種動態(tài)規(guī)劃方法。隨著人們對機(jī)器智能程度的要求不斷提升，基于行為導(dǎo)向的路徑規(guī)劃方法愈來愈受到研究人員和工程師們的關(guān)注。特別是當(dāng)微軟發(fā)布了KINECT深度相機(jī)，廉價且容易實(shí)現(xiàn)的RGB-D視覺系統(tǒng)成為了研究的有效途徑。文獻(xiàn)[1]通過微軟的KINCET系統(tǒng)，完成了機(jī)器人六自由度運(yùn)動估計(jì)，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航建立了模型基礎(chǔ)。韓崢等[2]采用KINCET系統(tǒng)獲取抓點(diǎn)位置信息，并通過RRT算法實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的軌跡路徑設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]通過KINCET系統(tǒng)，使用限制性狀態(tài)自動機(jī)理剝離姿態(tài)，配合動態(tài)時態(tài)規(guī)整姿態(tài)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一種即插即用的虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)。然而，采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機(jī)器人能否在清掃效率上更優(yōu)于傳統(tǒng)的觸碰開關(guān)式家用移動清掃機(jī)器人呢？

本文將通過試驗(yàn)比對傳統(tǒng)家用移動清掃機(jī)器人和采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機(jī)器人的實(shí)際路徑效果，為進(jìn)一步開發(fā)和提升家用移動清掃機(jī)器人提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)機(jī)器的基本結(jié)構(gòu)

1.1 基本組成

采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機(jī)器人，其組成大致分為行走機(jī)構(gòu)、RGB-D視覺系統(tǒng)和上位機(jī)控制系統(tǒng)。其中行走機(jī)構(gòu)采用美國iRobot公司的Roomba傳統(tǒng)觸碰式清掃機(jī)器人（圖1所示）。視覺系統(tǒng)使用相對便宜的RGB-D視覺系統(tǒng)，由華碩公司開發(fā)的Xtion pro 攝像頭。Xtion pro Live實(shí)際上是一種3D體感攝像頭（圖2所示），配備有三個鏡頭，中間的鏡頭是RGB VGA攝像頭，分辨率為640x480，左右兩邊鏡頭則分別為紅外線發(fā)射器和紅外線CMOS攝像頭所構(gòu)成的3D深度感應(yīng)器，分辨率為640x480，可視角度為水平45度，垂直57.5度，最大幀率為60FPS，探測距離為0.8m-3.5m。

通過開源的軟件Ubuntu for ROS實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊。

1.2 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

測量前了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的誤差范圍，測量移動機(jī)器人移動的線速度，要測量移動機(jī)器人的路程和時間（圖3所示），根據(jù)v=s/t ，測試線速度大小。為了準(zhǔn)確測量需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格（表1所示），表格中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)次數(shù)、路程、時間、速度四列。測試的范圍，移動的時間都比較短，不容易測量，為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可操作性，把測試的范圍擴(kuò)大。移動機(jī)器人移動速度跟路程和時間同時有關(guān)，v=s/t 和v=1/t/s 都能表示物體的運(yùn)動速度，但是還是有區(qū)別的，v=s/t 表示單位時間內(nèi)經(jīng)過的路程越多，速度越大， v=1/t/s 表示經(jīng)過單位路程用時越少，速度越大，選擇v=s/t 作為比較物體運(yùn)動速度的公式。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：第一是運(yùn)動誤差，移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型是建立在理想狀態(tài)下的，如輪子純滾動，而理想狀態(tài)是不存在的；第二是測量誤差，實(shí)驗(yàn)平臺的工作空間及實(shí)驗(yàn)平臺的位姿都是人工測量的，總難免存在誤差。

2 測試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證移動機(jī)器人路徑規(guī)劃相關(guān)研究，布置如圖4所示的試驗(yàn)場景進(jìn)行移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)時避障實(shí)驗(yàn)。移動機(jī)器人的移動范圍為一個6900mm×8380mm工作空間。

工作空間中無規(guī)則地設(shè)置了多邊形障礙物，障礙物是靜止的，其頂點(diǎn)坐標(biāo)已知。在移動機(jī)器人上建立局部坐標(biāo)系（X，Y），移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺的位姿由（X，Y，）決定，其中X與Y的單位為毫米。現(xiàn)在假設(shè)移動機(jī)器起始點(diǎn)位姿為（60，60），目標(biāo)點(diǎn)位姿為（600，810），要實(shí)現(xiàn)起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的導(dǎo)航。圖5為沒有采用RGB-D視覺系統(tǒng)的機(jī)器人方案，相應(yīng)測試結(jié)果如表2。圖6為采用RGB-D視覺系統(tǒng)的機(jī)器人方案，相應(yīng)測試結(jié)果如表3。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，移動機(jī)器人的實(shí)際路徑與期望路徑相當(dāng)接近，即系統(tǒng)有較高的跟蹤精度。路徑跟蹤系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)規(guī)劃路徑的復(fù)現(xiàn)，移動機(jī)器人能較好地完成任務(wù)。RGB-D機(jī)器人路徑效率比傳統(tǒng)機(jī)器人低的主要原因和視場規(guī)劃沒有做好有較大關(guān)系，由于光線及遮擋降低了視覺系統(tǒng)的辨識效率。

3 結(jié)語

本文通過對比傳統(tǒng)觸碰式家用移動清掃機(jī)器人和采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機(jī)器人的實(shí)際路徑效果，發(fā)現(xiàn)總體路徑相率是相當(dāng)?shù)?。采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機(jī)器人的路徑效果略低，和視場規(guī)劃及使用環(huán)境的光線有很大關(guān)系，通過本次對比試驗(yàn)，對工程設(shè)計(jì)人員的進(jìn)一步開發(fā)有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]楊東方，王仕成，劉華平.基于Kinect系統(tǒng)的場景建模與機(jī)器人自主導(dǎo)航[J].機(jī)器人，2012（5）：581-589.

[2]韓崢，劉華平，黃文炳，孫富春，高蒙.基于Kinect的機(jī)械臂目標(biāo)抓取[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2013（2）：149-155.

[3]魯明，王真水，田元，李琳.一種基于Kinect的虛擬現(xiàn)實(shí)姿態(tài)交互工具[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2013（9）：2124-2130.

[4]于金霞，王璐.未知環(huán)境中移動機(jī)器人自定位技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5]張毅，羅元.移動機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6]沈林成，徐昕.移動機(jī)器人自主控制理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[7]蔡自興，賀漢根，陳虹.等.未知環(huán)境中移動機(jī)器人導(dǎo)航控制理論與方法[M].北京科學(xué)出版社，2009.