基于單目視覺的輪式小車避障方法的研究

霍佳佳 柳鈺 張宣妮 田青

摘 要：我國科技正在不斷的迅速發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)成了科學(xué)研究的新方向。機(jī)器人技術(shù)日新月異，從二十世紀(jì)六十年代第一代機(jī)器人的“示教-再現(xiàn)”技術(shù)到第二代機(jī)器人的傳感技術(shù)的運用再到第三代智能機(jī)器人的問世，機(jī)器人技術(shù)與世界高端技術(shù)不斷的進(jìn)行融合，不斷的進(jìn)行提高，但是在機(jī)器人技術(shù)提高的同時也要注重機(jī)器人避障能力的提高。

關(guān)鍵詞：輪式小車；視覺跟蹤；避障方法；研究

隨著社會的不斷進(jìn)步，智能化漸漸成為人們生活中必不可少的一項新技術(shù)，而智能化生活也是人們科學(xué)研究的熱點。移動機(jī)器人在國家的經(jīng)濟(jì)和國防安全中都起著重要的作用，移動機(jī)器人最終的目的是要投入到實際生活中，而自主避障能力是移動機(jī)器人從構(gòu)想投入實際運用的關(guān)鍵，因此對移動機(jī)器人避障方法的研究是科技研究的重點，如何讓移動機(jī)器人精準(zhǔn)的進(jìn)行道路避障一直是困擾科技人員的難題，這也是當(dāng)下科技研究者急需要解決的問題。

一、整體考慮輪式小車的設(shè)計方案

在進(jìn)行輪式小車避障研究中需要把輪式小車設(shè)計方案的選擇放在首要位置，任何一項新型技術(shù)的研究必須要選擇正確有效的設(shè)計方案，因為方案設(shè)計的優(yōu)劣會直接影響后期研究的整體過程。對輪式小車避障方法優(yōu)中擇優(yōu)的選擇，能夠讓后期的研究沿著正確的方向進(jìn)行，讓智能化輪式小車更快的進(jìn)入人們的生活中，更好的為人們服務(wù)。例如在輪式小車避障方法的兩個方案中，方案一：設(shè)計方案是使用三個支撐點來使小車運行得到穩(wěn)定，但是只有一個輪子是用來控制前進(jìn)和轉(zhuǎn)向的，如果輪式小車想要沿直線行駛，就必須要將小車的前輪定位在中間位置并且在移動的時候按照規(guī)定的速度進(jìn)行移動；如果想要沿曲線移動，就需要事先進(jìn)行曲線移動角度的計算，然后將輪式小車的前輪定位在事先計算好的角度上；方案二：第二種方案與第一種方案不同的是采用了差速驅(qū)動，在小車的兩側(cè)安裝了兩個電機(jī)，這樣就可以分別獨立的驅(qū)動一個輪子，而且驅(qū)動輪不能安裝在小車的中間部位，這樣會使小車失去平衡性。

兩種方案進(jìn)行對比，會優(yōu)先選擇方案二，因為方案一的單輪驅(qū)動是沒有辦法進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向的，差速驅(qū)動比單輪驅(qū)動在實際實現(xiàn)中要簡單，因為在進(jìn)行設(shè)計的時候是不需要進(jìn)行從動輪中心軸旋轉(zhuǎn)的設(shè)計考慮的。

二、輪式小車避障方法的研究

（一）傳統(tǒng)小車避障方法的優(yōu)劣分析

1.人工勢場法

輪式小車避障方法的研究必然離不開對避障路徑的規(guī)劃，傳統(tǒng)的人工勢場法是最簡單的避障方法，采用虛擬力的方法，在輪式小車在模擬環(huán)境中進(jìn)行行走的時候，虛擬出障礙物給小車周身所帶來排斥力和小車對目標(biāo)地點的吸引力，以此來確定輪式小車避障路線，雖然人工勢場法簡單易行，但是它無法解決輪式小車在行駛的時候與障礙物、目標(biāo)點的斥力的大小和方向隨著距離的改變而改變的問題，同時也因為人工勢場法所選取的區(qū)域極小，無法確定小車行駛的最短路徑，這樣必然會給小車避障帶來一定的影響。為了能夠適應(yīng)輪式小車的避障路徑標(biāo)準(zhǔn)，研究者在人工勢場法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用了新的一種方法—避障最優(yōu)控制方法，這種方法的優(yōu)勢在于能夠在進(jìn)行避開障礙物的同時完成原先預(yù)定的工作目標(biāo)，但是這種方法對路徑的起點的要求十分嚴(yán)格。

2.柵格法

柵格法是運用四叉樹或者八叉樹來表示輪式小車的工作環(huán)境的，能夠?qū)⒄麄€工作環(huán)境劃分為有二值信息的柵格，然后再通過算法進(jìn)行避障路徑的確定。柵格法中關(guān)鍵之處就在于柵格的大小選擇上，柵格的大小是影響環(huán)境信息存儲量和路徑規(guī)劃時間的直接因素。當(dāng)柵格選取的越大，周圍環(huán)境的分辨率就會越小，在進(jìn)行小車避障路徑的規(guī)劃時因為環(huán)境存儲信息量小，所以規(guī)劃時間就會較短；如果柵格選取的越小，則反之，但是在避障路徑規(guī)劃時間上就會比小范圍柵欄所用的時間長。

3.位姿空間法

在進(jìn)行輪式小車避障道路規(guī)劃的時候如果將輪式小車當(dāng)做一個質(zhì)點進(jìn)行研究則會方便很多，而位姿空間法就是將輪式小車視作質(zhì)點的常用避障算法。雖然位姿空間法能夠大大簡化輪式小車的避障路徑的選擇，但是位姿空間法的缺點也是顯而易見的，由于將輪式小車視作一個質(zhì)點，就會忽略輪式小車的體型和構(gòu)造，在進(jìn)行實驗的時候障礙物可能會碰到輪式小車的頭頂或者周身的觸角等。

（二）區(qū)域分割法

傳統(tǒng)的輪式小車避障方法雖然有很多優(yōu)點但是同時也存在著缺點，在新時代技術(shù)的不斷發(fā)展下，傳統(tǒng)的避障算法漸漸被摒棄或者被不斷的改進(jìn)，在不斷的研究改進(jìn)中，新的避障算法應(yīng)時而生。區(qū)域分割法，根據(jù)輪式小車運行的軌跡特點進(jìn)行特定的區(qū)域劃分，每個區(qū)域?qū)?yīng)一個軌跡，保證在規(guī)定區(qū)域內(nèi)，輪式小車在進(jìn)行無障礙物阻擋的情況下能夠進(jìn)行直行、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，當(dāng)輪式小車在直行前進(jìn)的時候遇到障礙物能夠選擇左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的方式來躲避障礙物。視覺效應(yīng)能夠?qū)⒈臼侨S的障礙物抽象變?yōu)槎S平面，小車在進(jìn)行前進(jìn)的時候，能夠運用傳感器系統(tǒng)測出二維平面中的障礙物與輪式小車的實際距離，然后小車能夠及時進(jìn)行方向改變，從而避開障礙物。

（三）避障控制系統(tǒng)軟件的提升

無論輪式小車的避障路徑設(shè)計的多么完美最終都需要避障控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行小車運行的控制，以往的避障控制系統(tǒng)軟件已經(jīng)滿足不了新型輪式小車的避障方法，用新的技術(shù)手段進(jìn)行新的避障控制系統(tǒng)軟件的提升，能夠讓小車在自主行駛的過程中對圖像、信息進(jìn)行采集和處理，進(jìn)行自主避障。

三、結(jié)語

新時代在不斷的發(fā)展中，輪式小車漸漸進(jìn)入社會的各項行業(yè)中，無論是在農(nóng)業(yè)、軍事還是工業(yè)等領(lǐng)域都占據(jù)著重要的地位，它們在其中發(fā)揮的作用不容忽視。對輪式小車的避障方法的研究越來越重要，也是科技研究者一直關(guān)注的研究重點。雖然我國的科技在飛速的發(fā)展，但是輪式小車的避障方法還有待繼續(xù)提高，在科技研究者不斷的研究和改善下，我國的輪式小車將會在各個行業(yè)中發(fā)揮其特有的作用和價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪波.智能小車避障與路徑優(yōu)化研究[D].重慶理工大學(xué)，2015.

[2] 鄧星宇.基于單目視覺的輪式小車避障方法研究[D].揚州大學(xué)，2014.

[3] 蘭羽，萬可順.基于SPCE061A單片機(jī)的小車避障系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2014，（02）：58-60+77.

項目名稱：咸陽師范學(xué)院國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目（項目編號：2016011）

作者簡介：霍佳佳（1995-），男，陜西榆林人，就讀于咸陽師范學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)三年級。