機(jī)器視覺的機(jī)器人混合路徑規(guī)劃原理及策略分析

徐秋錦

摘 要：機(jī)器人的遠(yuǎn)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(shí)，也增強(qiáng)了機(jī)器人的自主性。本文主要就人工勢場法的機(jī)器人局部路徑規(guī)劃方法進(jìn)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(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳細(xì)探究。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；機(jī)器人；遠(yuǎn)程控制

機(jī)器人的路徑規(guī)劃是機(jī)器人遠(yuǎn)程控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)，機(jī)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(yùn)動路徑。機(jī)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(jī)器人提供了較為全面的環(huán)境信息，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行路徑規(guī)劃，增強(qiáng)了機(jī)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(jī)器人局部路徑規(guī)劃方法

在實(shí)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(rèn)為是局部陷阱的一種。局部陷阱的主要特征是在一個(gè)區(qū)域內(nèi)往復(fù)運(yùn)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(shí)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(jī)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(jī)器人的合力方向固定，機(jī)器人容易陷入局部陷阱，為此，我們設(shè)定了機(jī)器人是否陷入局部陷阱的判定依據(jù)，檢測機(jī)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(jī)器人是否處于局部陷阱。首先以機(jī)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(gè)檢測間隔時(shí)間t，保證經(jīng)過時(shí)間t機(jī)器人可以走出局部陷阱檢測圓。機(jī)器人運(yùn)動t時(shí)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(jī)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(jī)器人運(yùn)動。機(jī)器人沿全局路徑運(yùn)行時(shí)，通過安裝在機(jī)器人身上的局部攝像頭，探測機(jī)器人周圍是否存在局部障礙物。檢測到局部障礙物，機(jī)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(jī)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(rèn)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(jī)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(yàn)性的全局信息得出全局最優(yōu)路徑，指導(dǎo)機(jī)器人沿全局最優(yōu)路徑運(yùn)行，某一時(shí)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)，計(jì)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(jī)器人遠(yuǎn)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(yùn)行。

3機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

實(shí)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(shí)際環(huán)境進(jìn)行采樣的一個(gè)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。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(jìn)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(jìn)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?？刂浦噶顐鬏斖ǔ２捎肨CP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(shí)時(shí)性差，不適用于視頻傳輸，為了解決這個(gè)問題，本文視頻傳輸采用基于UDP的RTP[44]通信協(xié)議。

系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的基于服務(wù)器/客戶機(jī)的控制模型，其中機(jī)器人系統(tǒng)作為服務(wù)器，遠(yuǎn)程控制終端作為系統(tǒng)的客戶端。機(jī)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(fù)責(zé)采集機(jī)器人本身的狀態(tài)信息，如運(yùn)動速度、運(yùn)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(yuǎn)程控制終端發(fā)過來的控制指令。權(quán)限控制模塊負(fù)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(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)卡，現(xiàn)場控制器可以選用以ARM、單片機(jī)為主控板的嵌入式系統(tǒng)，也可以采用以傳統(tǒng)的PC機(jī)加運(yùn)動控制卡的形式。系統(tǒng)可采用傳統(tǒng)的PC機(jī)作為遠(yuǎn)程控制終端，也可以采用平板電腦、智能手機(jī)等智能移動設(shè)備。

用戶層主要實(shí)現(xiàn)用戶與遠(yuǎn)程控制終端之間的交互，通過用戶層，用戶可以觀察機(jī)器人服務(wù)器端傳回的視頻，發(fā)送相關(guān)控制指令。

控制層是客戶端軟件的核心層，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(shí)解析客戶端通過通信層接收到的指令包，對視頻包進(jìn)行解壓縮操作。

4結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制算法及理論、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人遠(yuǎn)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(xiǎn)、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(shí)際的技術(shù)發(fā)展應(yīng)用就能起到積極促進(jìn)作用。

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