多智能機(jī)器人群體中跟隨者視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄒海洋

摘要：視覺(jué)系統(tǒng)是我們感知外部世界的重要途徑，我們同外界的交流中，大約有70%信息是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，要使機(jī)器人具有智能化的功能，視覺(jué)系統(tǒng)是必不可少的。在現(xiàn)實(shí)生活的災(zāi)難中，如何在有效的72小時(shí)的黃金時(shí)間內(nèi)，利用機(jī)器人群體的智能化來(lái)實(shí)現(xiàn)災(zāi)難損失和傷害的最小化。人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)為我們提供了啟示，人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)篩選功能，如果把視覺(jué)系統(tǒng)引入到多智能機(jī)器人群體中，會(huì)對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)真正的智能化提供了較好的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞： 多智能體；視覺(jué)系統(tǒng)；跟隨者；定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）06-0189-02

The Design on Visual System of Follower in the Group of Multi Intelligent Robots

ZOU Hai-yang

（College of Computer in China West Normal University，Nanchong 637000， China）

Abstract： The vision system is an important approach to Perceive the outside world for us。It makes robot with intelligent functions and the visual system is essential ， it is about 70% information to achieved through the visual system. In the real life of disaster， how to use in effectively 72 hours of gold times and make intelligent robot groups to achieve disaster to minimize damage and injury .The visual system has provided us with inspiration， it has a powerful data filtering capabilities， if the vision system is introduced into the group of multi intelligent robots， it provides a better theoretical and practical significance to realize the real intelligence about robots.

Key words： multi-agent； vision systems； follower； positioning

1 視覺(jué)系統(tǒng)總體概述

我們感知外界往往通過(guò)個(gè)人的視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)等感覺(jué)器官，其中視覺(jué)是感覺(jué)器官中最主要的，我們所接觸的外界的絕大部分信息是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)。人們應(yīng)用視覺(jué)系統(tǒng)，同物體建立相互的作用，來(lái)完成復(fù)雜的任務(wù)和各種動(dòng)作。人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)篩選功能，在我們的感知信息中70%以上都來(lái)源于視覺(jué)系統(tǒng)[5]，我們可以通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)輕易的從大量的數(shù)據(jù)信息中識(shí)別出我們所需的目標(biāo)。現(xiàn)實(shí)生活中災(zāi)難的多樣性和復(fù)雜性正以指數(shù)的形式增加，如何在有效的72小時(shí)的黃金時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)難損失和傷害的最小化。成為我們研究的一個(gè)方向。把視覺(jué)系統(tǒng)引入到多智能機(jī)器人群體中，為我們的研究提供了借鑒和啟發(fā)。我們可以模擬人的視覺(jué)系統(tǒng)，使機(jī)器人具有視覺(jué)感知功能，這樣更有利于機(jī)器人群體對(duì)于未知環(huán)境的感知。因此， 多智能機(jī)器人群體視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較高的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。

對(duì)于多智能機(jī)器人群體視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于以下三個(gè)領(lǐng)域：視覺(jué)檢驗(yàn)、視覺(jué)導(dǎo)引、和移動(dòng)機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)航三類(lèi)。

1）視覺(jué)檢驗(yàn)：代替人應(yīng)用于產(chǎn)品的檢測(cè)和安檢等領(lǐng)域。

2）視覺(jué)導(dǎo)引：通過(guò)對(duì)外界物體的模式識(shí)別來(lái)確定物體在二維或三維空間內(nèi)的位置和方向，利用人工智能來(lái)完成分類(lèi)、搬運(yùn)或裝配等相應(yīng)的任務(wù)。

3）視覺(jué)導(dǎo)航：通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)，使多智能機(jī)器人群體獲得當(dāng)前環(huán)境的三維信息，在相應(yīng)的編隊(duì)控制策略下，安全到達(dá)指定的地址。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新，多智能機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是視覺(jué)系統(tǒng)，它已經(jīng)被應(yīng)用到眾多領(lǐng)域，如： 工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、危險(xiǎn)物品的搬運(yùn)、災(zāi)難的救援等方面。

2 視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程

多智能機(jī)器人群體編隊(duì)控制策略中我們對(duì)機(jī)器人采用的是基于領(lǐng)航-跟隨者的控制策略，這更有利于機(jī)器人群體能以我們?cè)O(shè)定的隊(duì)形來(lái)完成搜索救援工作。視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中信息之間的傳遞和處理都是由群體中的各體來(lái)完成，但隨著機(jī)器人智能化的高度發(fā)展，要處理的信息量勢(shì)必會(huì)大大增加。基于此點(diǎn)考慮，在算法的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們把機(jī)器人分成領(lǐng)航機(jī)器人和跟隨機(jī)器人兩大類(lèi)。對(duì)于領(lǐng)航機(jī)器人我們采取多目視覺(jué)系統(tǒng)；跟隨者機(jī)器人，我們采用了單目視覺(jué)系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，從空間和應(yīng)用兩個(gè)相矛盾的方面綜合考慮后，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度要快，機(jī)器人群體間通信的數(shù)據(jù)鏈要盡量的少，通信速度越快越好。為此在設(shè)計(jì)中我們可以把機(jī)器人群體中跟隨者機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成單目視覺(jué)系統(tǒng)，單目視覺(jué)系統(tǒng)中跟隨者機(jī)器人身上只有一個(gè)的攝像機(jī)，用來(lái)獲得圖像信息，通過(guò)一定的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別和定位，它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理速度快。出于對(duì)智能化的要求，結(jié)合實(shí)際，我們把領(lǐng)航機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成多目視覺(jué)系統(tǒng)[2]，可以通過(guò)調(diào)整每個(gè)視覺(jué)單元的動(dòng)態(tài)投影矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的立體定位。

在視覺(jué)系統(tǒng)過(guò)程中主要包括圖像的采集、處理、對(duì)目標(biāo)物體的跟蹤及定位。對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)很容易就能做到對(duì)物體的定位、跟蹤及邊緣檢測(cè)等相應(yīng)的工作。我們?cè)谠缙谀M人的視覺(jué)系統(tǒng)采用的是靜態(tài)“Look And Move”方式，隨著計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了視覺(jué)注意機(jī)制，視覺(jué)注意機(jī)制是指人的眼睛能快速識(shí)別出實(shí)時(shí)變化環(huán)境中的物體，總能忽略掉不相關(guān)的信息，視覺(jué)注意機(jī)制為機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)提供了重要的借鑒。由于單目視覺(jué)系統(tǒng)主要是通過(guò)處理二維圖像獲得信息，因此對(duì)目標(biāo)的定位效率不是很好，為了精確定位，結(jié)合算法，我們把領(lǐng)航者機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成多目系統(tǒng)。

1）圖像的采集和處理：我們一般對(duì)所采取的圖像進(jìn)行壓縮、噪聲濾波、邊緣提取、圖像分割等處理，通過(guò)對(duì)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的模擬，進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2）對(duì)目標(biāo)物體的定位：在跟隨機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，我們主要是通過(guò)對(duì)二維平面的視覺(jué)搜索定位，算法對(duì)圖像進(jìn)行重構(gòu)和分析，以此來(lái)確定目標(biāo)在原來(lái)圖像中的位置，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換機(jī)制得到物體在空間中的真實(shí)位置。

3）對(duì)目標(biāo)物體的跟蹤：我們主要是通過(guò)對(duì)連續(xù)圖像的分析，從而得到移動(dòng)物體的移動(dòng)軌跡，引導(dǎo)機(jī)器人去實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。

4 我們的期望和不足

視覺(jué)系統(tǒng)是我們感知外部世界的重要途徑，我們同外界的交流中，大約有70%是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，要使機(jī)器人具有智能化的功能。視覺(jué)系統(tǒng)是必不可少的，在現(xiàn)實(shí)生活中多智能機(jī)器人已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于眾多的領(lǐng)域，對(duì)多智能體機(jī)器人群體具有很好的實(shí)用價(jià)值。在課題中由于時(shí)間和精力有限，還有很多方面需要改進(jìn)。1）在課題中我們?cè)诨陬I(lǐng)航—跟隨者控制策略中，我們只設(shè)計(jì)了跟隨者的視覺(jué)系統(tǒng)。2）在算法中，由于空間和通信鏈的原因，我們只能設(shè)計(jì)單目視覺(jué)系統(tǒng)，同人眼的雙目成像還有一定的差距。因此對(duì)于算法還需要進(jìn)一步完善，希望我的課題研究能為機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)提供一種借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱木健.基于服務(wù)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2006.

[2] 李造.多工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中多級(jí)協(xié)作視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].杭州 ：浙江大學(xué)，2008.

[3] 李榮華.面向機(jī)器人跟蹤的視覺(jué)注意模型與應(yīng)用研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2011.

[4]Wolfe J M，T.5.Horowitz.Opinion：What attributes guide the deployment of visual attention and how do they do it[J].Nature Neuro seienee，2004（5）：l-7.

[5] 岡薩雷斯.伍茲數(shù)字圖像處理[M]. 阮秋琦，譯. 北京 ：北京電子工業(yè)出版社，2006.