基于光流定位的自動(dòng)路徑規(guī)劃清掃機(jī)器人

李炫志，黃旭銘，姜 科，鄭慎鵬，李晨韻，陳光樂，周晉怡

(中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 求是電子科技協(xié)會(huì)，浙江 杭州 310000)

基于光流定位的自動(dòng)路徑規(guī)劃清掃機(jī)器人

李炫志，黃旭銘，姜 科，鄭慎鵬，李晨韻，陳光樂，周晉怡

(中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 求是電子科技協(xié)會(huì)，浙江 杭州 310000)

掃地機(jī)器人作為智能家居的一個(gè)分支，在當(dāng)下火熱一時(shí)。一個(gè)完整的機(jī)器人定位以及路徑規(guī)劃系統(tǒng)是必不可少的。此文針對機(jī)器人路徑規(guī)劃進(jìn)行了研究，光流定位是由機(jī)器視覺延伸出的一種技術(shù)，通過攝像頭識別進(jìn)行定位，能反應(yīng)機(jī)器人實(shí)時(shí)的二維坐標(biāo)。基于光流定位和測距模塊，可以實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)大致地形的判別，從而規(guī)劃出一條最優(yōu)的清掃路線。實(shí)驗(yàn)證明：該規(guī)劃方案能基本覆蓋室內(nèi)的清掃區(qū)域。

掃地機(jī)器人；光流定位；路徑規(guī)劃

0 引言

目前市場上掃地機(jī)器人的路徑規(guī)劃都是由超聲波、紅外等傳感器測量得到當(dāng)前的位置再結(jié)合算法規(guī)劃出理想路徑。由于傳感器精度等問題，無法定位出精確的位置,導(dǎo)致機(jī)器人出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡混亂等問題。

基于光流傳感器的機(jī)器人可以解決傳統(tǒng)掃地機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡混亂的問題?；诠饬鱾鞲衅鞫ㄎ患夹g(shù)的路徑規(guī)劃式尋路系統(tǒng)清掃覆蓋率大，工作效率高，采用了類似光電鼠標(biāo)定位與移動(dòng)位移測量方式，結(jié)合激光測距傳感器對當(dāng)前掃地機(jī)器人的位置及運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測得到的位置與位移方向、速度等信息，搭載攝像頭、電子羅盤、超聲波模塊、激光測距儀這幾個(gè)傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人的工作環(huán)境的變化。核心處理器對各個(gè)傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此來實(shí)現(xiàn)基本無碰撞的掃地過程，并對掃地機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人對應(yīng)用環(huán)境的全方位清潔。

1 光流

光流是一種簡單實(shí)用的圖像運(yùn)動(dòng)的表達(dá)方式，通常定義為一個(gè)圖像序列中的圖像亮度模式的表觀運(yùn)動(dòng)，即空間物體表面上的點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在視覺傳感器的成像平面上的表達(dá)。

1.1 光流法檢測運(yùn)動(dòng)物體的基本原理

給圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)賦予一個(gè)速度矢量，這就形成了一個(gè)圖像運(yùn)動(dòng)場，在運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特定時(shí)刻，圖像上的點(diǎn)與三維物體上的點(diǎn)一一對應(yīng)，這種對應(yīng)關(guān)系可由投影關(guān)系得到，根據(jù)各個(gè)像素點(diǎn)的速度矢量特征，可以對圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。如果圖像中沒有運(yùn)動(dòng)物體，則光流矢量在整個(gè)圖像區(qū)域是連續(xù)變化的。當(dāng)圖像中有運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，目標(biāo)和圖像背景存在相對運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)物體所形成的速度矢量必然與鄰域背景速度矢量不同，從而檢測出運(yùn)動(dòng)物體及位置[1]。

1.2 光流傳感器

光流傳感器(如圖1所示)自帶圖像處理，原理是光源發(fā)光被地面反射回接收器，因?yàn)榈匕灞砻娴男蚊彩遣煌?，所以接收器收到的時(shí)間間隔很短的兩幀圖像是有差別的，處理器通過算法由前后幾幀圖像的差別解算出機(jī)器人移動(dòng)的距離、方向和速度。

搭載了光流傳感器的掃地機(jī)器人與傳統(tǒng)的碰撞式的掃地機(jī)器人最大的區(qū)別就在于其定位方式不同。傳統(tǒng)的掃地機(jī)器人的定位能力僅依靠超聲波或者紅外測距模塊來實(shí)現(xiàn)一些粗糙的定位。而搭載了光流傳感器的掃地機(jī)器人的工作原理與生活中常用的光電鼠標(biāo)類似。如圖2所示，機(jī)器人底部會(huì)有一個(gè)發(fā)光二極管，通過該發(fā)光二極管照亮機(jī)器人的底部表面。然后通過機(jī)器人底部表面反射回一部分光線，經(jīng)過一組光學(xué)透鏡，傳輸?shù)揭粋€(gè)光感應(yīng)器件(微成像器)內(nèi)成像。這樣，當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡便會(huì)被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。再利用機(jī)器人內(nèi)的一塊DSP芯片對每張圖像進(jìn)行處理，以判斷機(jī)器人移動(dòng)的方向以及位移，從而得到機(jī)器人x、y方向的移動(dòng)數(shù)據(jù)。最后通過SPI傳給MCU。MCU對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來獲取機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑[2]。

2 路徑規(guī)劃算法

2.1 柵格地圖法概述

Elfes、Moravec 等研究人員在1985年共同設(shè)計(jì)出了柵格地圖法。所謂的柵格地圖法就是把一個(gè)環(huán)境區(qū)域等分為空間一樣的小方格，然后依據(jù)每個(gè)小方格中是否有障礙物將所研究的環(huán)境分為障礙區(qū)域和非障礙區(qū)域，這樣就建立出了環(huán)境地圖。因?yàn)槊總€(gè)方格中是否存在障礙物都是直接與研究環(huán)境中的區(qū)域一一對應(yīng)的，因此根據(jù)清潔機(jī)器人所配備的傳感器系統(tǒng)探測到的信息即可輕易獲取環(huán)境中每個(gè)方格是否為障礙物區(qū)域。傳感器系統(tǒng)將這些信息反饋到清潔機(jī)器人控制中樞，控制中樞再根據(jù)接收到的信息及時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)器人運(yùn)行方向，從而達(dá)到避障效果。

2.2 基于柵格法的清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃方案

使用柵格法構(gòu)建環(huán)境地圖就是將環(huán)境區(qū)域等分為若干個(gè)小矩形單元格，將每個(gè)小單元格作3種不同類別的標(biāo)記，主要分為有障礙和無障礙以及已清掃3類單元格區(qū)域。這樣，環(huán)境區(qū)域就被一系列的矩陣柵格表示出來了，環(huán)境地圖構(gòu)建成形，而整個(gè)環(huán)境地圖也被一個(gè)個(gè)的小單元格離散化，依據(jù)環(huán)境柵格地圖與實(shí)際環(huán)境區(qū)域之間的映射關(guān)系結(jié)合環(huán)境地圖的離散化實(shí)現(xiàn)了實(shí)際環(huán)境區(qū)域的離散化。在環(huán)境柵格地圖中，其中一部分或者全部被障礙所占用的單元格都稱為障礙柵格，完完全全沒有被障礙物占據(jù)的單元格稱為無障礙柵格，而無障礙柵格又可以依據(jù)清潔機(jī)器人是否運(yùn)行過分為待清潔柵格和已覆蓋柵格。

假設(shè)整個(gè)環(huán)境區(qū)域的長、寬分別是L、D，而方形小單元格邊長是A，那么柵格數(shù)目是L×D/A2,環(huán)境區(qū)域E可以用下面的集合來表示：E={Gij|Gij=0,1,2;i,j為正整數(shù)} 其中Gij代表柵格，i代表方形單元格的行數(shù)，j代表方格的列數(shù)，Gij=2是指該位置柵格為障礙柵格，Gij=1是指該位置柵格為已覆蓋柵格，Gij=0 是指該位置柵格是待清潔柵格。柵格地圖法極其便于建立以及維護(hù)，且構(gòu)建的環(huán)境地圖中的每一個(gè)柵格都與實(shí)際環(huán)境區(qū)域相對應(yīng)[3]。

2.3 光流定位在柵格法中的應(yīng)用

光流定位能實(shí)時(shí)反應(yīng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得出物體的二維位移。如圖3所示，假定一個(gè)柵格的正方形邊長為a(a>掃地機(jī)器人的直徑b)，將室內(nèi)劃分成一個(gè)個(gè)的柵格。

那么可以以掃地機(jī)器人的充電位置所在的墻角為起點(diǎn)的第一個(gè)柵格G00，可以知道G00為無障礙柵格。機(jī)器人先檢測這個(gè)墻角四周的環(huán)境，接著以充電處為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，設(shè)定二維平面運(yùn)動(dòng)的正方向，再確定初始運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸正方向。機(jī)器人沿x軸方向探索，記錄室內(nèi)x軸所占的柵格數(shù)，不足一個(gè)柵格也記一個(gè)，在圖3的路線為G00→G50，G50為不完整柵格。碰壁之后，機(jī)器人會(huì)向y軸上一個(gè)柵格，接著沿x軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，整個(gè)探索過程是地毯式的搜索。遇到障礙物時(shí)，機(jī)器人會(huì)在原先地毯式搜索的基礎(chǔ)上繞行，在圖3的路線為G50→G51→G50→G40→G41→G40→G30→G31。機(jī)器人會(huì)在不碰到障礙的前提下把室內(nèi)的環(huán)境盡可能的探索，建立一個(gè)關(guān)于室內(nèi)柵格的數(shù)組，記錄室內(nèi)的地形。機(jī)器人在后面的清掃中可以實(shí)時(shí)修改這個(gè)數(shù)組的數(shù)據(jù)，規(guī)劃出合理的清掃路線。

對于柵格大小，理論上太大太小都有弊端，所以柵格正方形的邊長應(yīng)略大于機(jī)器人的直徑，以方便算法的運(yùn)行，也盡可能減小盲區(qū)。在遇到障礙時(shí)盡量靠邊走，在不干擾原先運(yùn)行軌跡的前提下，盡可能減小清掃盲區(qū)。

2.4 機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)

系統(tǒng)框圖如圖4所示，光流傳感器安裝在機(jī)器人的底部，獲得的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可以通過SPI傳給MCU。同時(shí)，激光測距傳感器實(shí)時(shí)全方位地檢測工作的周圍環(huán)境，一旦發(fā)現(xiàn)障礙物的距離低于預(yù)設(shè)值，就發(fā)送信號給MCU，MCU立即改變左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)避障。

3 結(jié)論

實(shí)踐證明，該方案構(gòu)成的系統(tǒng)功能基本得到了實(shí)現(xiàn)，初步成型如圖5所示，光流傳感器位于機(jī)器人底部。

經(jīng)過實(shí)際測試，機(jī)器人在偏差允許的范圍內(nèi)基本完成了算法規(guī)劃的路徑，在LCD上打點(diǎn)顯示如圖6所示。

[1] 陳震.圖像序列光流計(jì)算技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 董穎.基于光流場的視頻運(yùn)動(dòng)檢測[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

[3] 張建龍.清潔機(jī)器人避障控制及路徑規(guī)劃[D].武漢：武漢科技大學(xué),2015.

Automatic path planning cleaning robot based on optical positioning

Li Xuanzhi，Huang Xuming，Jiang Ke，Zheng Shenpeng，Li Chenyun，Chen Guangle，Zhou Jinyi

(Qiu Shi Electronics Association, Mechanical and Electrical Engineering College, China Jiliang University, Hangzhou 310000, China)

As a branch of intelligent home, cleaning robot has become today's hits. Then a complete system of positioning and path planning for the robot is essential. This paper researches on path planning for the robot. Optical positioning is a kind of technology extended from machine vision, which positions by camera identification, and can react the real time 2D coordinates of the robot. Based on optical positioning, the robot, with ranging module, can judge indoor terrain roughly, and then plan out an optimal cleaning route. Experimental results show that the planning scheme can cover the area needed cleaning indoor on the whole.

cleaning robot; optical positioning; path planning

TP242

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.018

李炫志，黃旭銘，姜科，等.基于光流定位的自動(dòng)路徑規(guī)劃清掃機(jī)器人[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(5)：57-59.

2016-11-15)

李炫志(1995-)，男，本科生，主要研究方向：單片機(jī)。

黃旭銘(1996-)，男，本科生，主要研究方向：嵌入式開發(fā)。

姜科(1995-)，男，本科生，主要研究方向：電子電路。