視覺(jué)導(dǎo)航機(jī)器人技術(shù)在大學(xué)實(shí)踐教育環(huán)節(jié)內(nèi)容中的探討

孫磊 趙巖 韓芳芳 李志偉

[摘 要]機(jī)器人技術(shù)是繼數(shù)學(xué)推理與科學(xué)試驗(yàn)之后認(rèn)識(shí)世界自然規(guī)律的第三類(lèi)基礎(chǔ)方法。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指利用人工智能技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行自主服務(wù)，該技術(shù)可以讓學(xué)生在創(chuàng)新的環(huán)境下進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)。本課題在現(xiàn)有機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究基礎(chǔ)上結(jié)合ROS（Robot Operating System）機(jī)器人操作系統(tǒng)，給出了與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，利用機(jī)器人進(jìn)行室內(nèi)外的視覺(jué)導(dǎo)航研究。實(shí)驗(yàn)表明，該視覺(jué)導(dǎo)航機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是有利于學(xué)生深入了解機(jī)器人發(fā)展，掌握ROS機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)發(fā)和視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的良好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

[關(guān)鍵詞]實(shí)踐教學(xué)；實(shí)踐能力；視覺(jué)導(dǎo)航機(jī)器人；ROS系統(tǒng)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）01-0077-04

當(dāng)今智能領(lǐng)域的機(jī)器人技術(shù)包含傳感器技術(shù)、自動(dòng)化控制，電子信息技術(shù)以及最新的人工智能技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)科技技術(shù)。目前移動(dòng)機(jī)器人是相關(guān)領(lǐng)域主要的研究方向，其在工業(yè)制造、航空航天、軍事國(guó)防、醫(yī)療衛(wèi)生以及家庭服務(wù)等諸多行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。在21世紀(jì)，機(jī)器人技術(shù)成為了備受矚目的技術(shù)，在世界范圍的科技博弈中，其也成為了國(guó)家戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎[1]。美國(guó)作為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的先驅(qū)，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)取得了較顯著的研究成果，并在與機(jī)器人相關(guān)的交互、感知、軟件及硬件系統(tǒng)架構(gòu)等方面建立了比較完善的教學(xué)體系。例如美國(guó)的卡羅萊納州立大學(xué)建立的導(dǎo)航機(jī)器人教學(xué)體系包括基于ROS移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)設(shè)施，以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程模塊、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果評(píng)價(jià)模塊、協(xié)作學(xué)習(xí)模塊。在歐洲，一些高等學(xué)校注重校企合作，根據(jù)企業(yè)的實(shí)際的需求來(lái)不斷完善自身機(jī)器人教學(xué)的課程體系，形成了一整套持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)模式。在中國(guó)，多個(gè)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了對(duì)自主導(dǎo)航機(jī)器人的教學(xué)儀器的研究，并結(jié)合ROS操作系統(tǒng)建立了一整套完備的教學(xué)體系，使得機(jī)器人的智能化儀器、計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬仿真和機(jī)器人導(dǎo)航等技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容被廣泛地推廣到各個(gè)高校學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)。

在科技領(lǐng)域，有關(guān)機(jī)器人的大部分研究都集中在底層的運(yùn)動(dòng)控制器以及底層的結(jié)構(gòu)和算法，而對(duì)于上層的應(yīng)用型軟件架構(gòu)的研究卻相對(duì)較少[2]。機(jī)器人技術(shù)的代碼實(shí)現(xiàn)中，對(duì)代碼重復(fù)使用性以及模塊化的需求較高。機(jī)器人操作系統(tǒng)迎合了這種需要，并得到了諸多實(shí)踐和運(yùn)用。文獻(xiàn)[3]、[4]中提及的ROS實(shí)現(xiàn)的地圖構(gòu)建與導(dǎo)航和ORB_SLAM技術(shù)等也是現(xiàn)在運(yùn)用較多的新興技術(shù)。本文將對(duì)在校機(jī)器人教學(xué)的相關(guān)方法深入剖析，以最明確和最優(yōu)質(zhì)的教學(xué)方案為索引，使機(jī)器人教學(xué)效率提高，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人教學(xué)的重要意義[5]。

一、導(dǎo)航機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)總體思路

（一）導(dǎo)航機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)目的

國(guó)內(nèi)高層次的建設(shè)高校，都在籌備建設(shè)一批高端技能型的人才。理工科專(zhuān)業(yè)主要是面向社會(huì)培養(yǎng)高技能型一體化服務(wù)人才?？刂茖?zhuān)業(yè)要求學(xué)生在實(shí)際崗位中在裝備和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過(guò)程，以及后期的操作和調(diào)試，維護(hù)和售后技術(shù)支持等方面統(tǒng)籌兼顧。因此，在實(shí)際教學(xué)中不但要保證實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的設(shè)備高效，還要保證教學(xué)方法的科學(xué)性與有效性[6-7]。

（二）教學(xué)實(shí)施方法

基于建構(gòu)主義以及混合式教學(xué)理論，按照國(guó)家高等教育教學(xué)的改革要求，并以《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》以及《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃（2010-2020年）》等文件為指導(dǎo)方法，結(jié)合當(dāng)前控制專(zhuān)業(yè)在社會(huì)實(shí)踐中職業(yè)應(yīng)用，本文制定了具體的教學(xué)研究方案。本方案在實(shí)際課堂教學(xué)中更加貼近社會(huì)人才需要，以職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)與社企合作，與實(shí)際結(jié)合來(lái)定制課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐技能；教學(xué)內(nèi)容工作循序漸進(jìn)，由淺入深，在結(jié)合實(shí)驗(yàn)授課的優(yōu)勢(shì)上實(shí)現(xiàn)更高的理論和實(shí)踐一體化的教學(xué)目標(biāo)[8]。圖1所示為本教學(xué)方案的實(shí)用性設(shè)計(jì)方案和具體的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

經(jīng)過(guò)綜合考察和反復(fù)研究，我們?cè)跈C(jī)器人教學(xué)方案中做出如下的具體實(shí)施意見(jiàn)。

1.科學(xué)分析學(xué)生特征及企業(yè)需求，進(jìn)一步加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的改革

研究小組以學(xué)生學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)規(guī)律和學(xué)習(xí)習(xí)慣特點(diǎn)為切入口，在認(rèn)真研習(xí)后，在學(xué)習(xí)需求和知識(shí)預(yù)備上做出調(diào)研結(jié)果。在課堂教學(xué)內(nèi)容上結(jié)合實(shí)際公司和崗位技能需求，以社會(huì)產(chǎn)品需求的一線技術(shù)為教學(xué)方向，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，以本專(zhuān)業(yè)的突出優(yōu)勢(shì)為教學(xué)契機(jī)進(jìn)行教學(xué)，這有助于提高課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際功能和教學(xué)優(yōu)勢(shì)，全面提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

2.積極探索，構(gòu)建自主服務(wù)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

在高校教學(xué)內(nèi)容大綱中，針對(duì)機(jī)器人技能的相關(guān)基礎(chǔ)課程如單片機(jī)、電子信息技術(shù)、操作系統(tǒng)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)組成原理等進(jìn)行深入分析，并制定出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)方案。在教學(xué)中將實(shí)踐和課堂理論相結(jié)合，通過(guò)進(jìn)行相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)和實(shí)驗(yàn)課程來(lái)到達(dá)最佳的教學(xué)效果。

3.校企合作，共建更高水平的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)基地

一切技能和理論都是為了社會(huì)發(fā)展的需求，我們?cè)谡n堂上的一切教學(xué)都是為了給學(xué)生提供最貼合實(shí)際工作與崗位需求的知識(shí)培訓(xùn)。有鑒于此，本課題提出校企合作的教學(xué)方法，將教學(xué)環(huán)境和教學(xué)條件融入企業(yè)的需求中去，在有限的條件下創(chuàng)造出最佳的教學(xué)條件。機(jī)器人的教學(xué)有更靈活和更開(kāi)放的工作場(chǎng)景，因此與企業(yè)合作能為學(xué)生提供更好的實(shí)際技能培訓(xùn)，這也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最佳結(jié)合辦法。

4.師生合力，共同打造最合理的教學(xué)環(huán)境

教學(xué)是師生合奏的交響樂(lè)。在課堂中師生合力，教師結(jié)合課程和實(shí)際需要給予學(xué)生最佳的教學(xué)知識(shí)，學(xué)生有目標(biāo)、有效率地吸收和運(yùn)用。這樣師生合作才能達(dá)到教學(xué)的真正目的，設(shè)計(jì)出更合適的機(jī)器人教學(xué)環(huán)境和教學(xué)條件，雙方相互協(xié)同、互相監(jiān)督、不斷上進(jìn)。

（三）重點(diǎn)研究領(lǐng)域

機(jī)器人教學(xué)的重要教學(xué)領(lǐng)域?yàn)镽OS系統(tǒng)、機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)。把實(shí)際工業(yè)機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人作為主要的例子，以機(jī)器人的主要構(gòu)成、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航屏蔽障礙等多方面實(shí)際問(wèn)題來(lái)作為研究的主要內(nèi)容。本課題重點(diǎn)介紹視覺(jué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

二、視覺(jué)機(jī)器人實(shí)踐平臺(tái)的實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置

（一）單目視覺(jué)ORB_SLAM算法

ORB_SLAM算法是基于特征點(diǎn)的實(shí)時(shí)性單目SLAM算法，應(yīng)用在各種復(fù)雜環(huán)境下都可以較好地運(yùn)行，并且在復(fù)雜的機(jī)器人劇烈運(yùn)動(dòng)中效果也較為穩(wěn)定。其中該算法支持寬基線的閉環(huán)檢測(cè)和重定位，并且將全自動(dòng)初始化融入在系統(tǒng)內(nèi)。其具體的流程圖如下所示：

（二）機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)視覺(jué)導(dǎo)航方法

1.ORB場(chǎng)景特征檢測(cè)

場(chǎng)景特征檢測(cè)是視覺(jué)導(dǎo)航的關(guān)鍵一步，也是后續(xù)視覺(jué)導(dǎo)航能夠正常運(yùn)作的基礎(chǔ)，其主要工作是從圖像中提取ORB特征，根據(jù)上一幀進(jìn)行姿態(tài)估計(jì)，或者進(jìn)行通過(guò)全局重定位初始化位姿，然后跟蹤已經(jīng)重建的局部地圖，優(yōu)化位姿，再根據(jù)一些規(guī)則確定新的關(guān)鍵幀。

提取ORB特征分為兩步。[①]FAST關(guān)鍵點(diǎn)提取：找出圖像中的FAST角點(diǎn)，相較于原版的FAST算法，ORB中計(jì)算了特征點(diǎn)的主方向，為后續(xù)的BRIEF描述子增加了旋轉(zhuǎn)不變性。[②]BRIEF描述子生成：對(duì)上一步提取出關(guān)鍵點(diǎn)的周?chē)鷪D像區(qū)域進(jìn)行描述。

2.ORB中FAST關(guān)鍵點(diǎn)提取

FAST算子是2006年提出的一種快速角點(diǎn)檢測(cè)算子，其最大優(yōu)點(diǎn)是杰出的實(shí)時(shí)性，它通過(guò)比較圓周像素與中心像素的灰度值來(lái)確定特征點(diǎn)。FAST角點(diǎn)檢測(cè)雖然速度很快，但是它存在一些問(wèn)題。首先是FAST角點(diǎn)數(shù)量很大且不確定，因此ORB對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。ORB指定最終要提取的角點(diǎn)數(shù)量N，對(duì)原始FAST角點(diǎn)分別計(jì)算Harris響應(yīng)值，然后選取前n個(gè)具有最大響應(yīng)值的角點(diǎn)作為最終的角點(diǎn)集合。

3.BRIEF描述子

公式中[p（y）]是圖像鄰域p在x處的灰度值。選擇n個(gè)測(cè)試點(diǎn)，代表了n維的二進(jìn)制串。[fn（p）]就代表了n維向量。BRIEF由于使用了二進(jìn)制表達(dá)，存儲(chǔ)起來(lái)十分方便，適用于實(shí)時(shí)的圖像匹配。ORB 根據(jù)特征點(diǎn)的主方向?qū)?BRIEF描述子加入了旋轉(zhuǎn)不變性，稱(chēng)為 steered BRIEF。由于考慮了旋轉(zhuǎn)和縮放，ORB在平移、旋轉(zhuǎn)和縮放的變換下仍具有良好的表現(xiàn)。同時(shí)，F(xiàn)AST和BRIEF的計(jì)算非常高效，這使得ORB特征在實(shí)時(shí)SLAM系統(tǒng)中得以應(yīng)用。

根據(jù)ORB_SLAM的點(diǎn)云圖像進(jìn)行精確地導(dǎo)航是視覺(jué)導(dǎo)航機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重要組成部分。本次實(shí)踐環(huán)節(jié)中的所需視覺(jué)導(dǎo)航方法如圖3所示。

第一部分：模擬路徑學(xué)習(xí)。由于機(jī)器人所處的環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)知性，所以實(shí)驗(yàn)要求在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段就視覺(jué)導(dǎo)航做到充分的計(jì)算。在機(jī)器環(huán)境中首先要計(jì)算周?chē)h(huán)境的特征，并不斷檢測(cè)環(huán)境且記錄在內(nèi)存。同時(shí)也把相應(yīng)的里程信息記錄在內(nèi)來(lái)匹配相應(yīng)的行為模式。所以環(huán)境復(fù)雜度和特點(diǎn)以及行為模式是建設(shè)拓?fù)涞貓D的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)信息。

第二部分：精確的狀態(tài)定位與導(dǎo)航要素。機(jī)器人對(duì)比現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)的路徑狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，利用精確定位來(lái)取代模糊定位，從而實(shí)現(xiàn)選擇更適合的狀態(tài)行為模式來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航領(lǐng)路。圖4為本文方案中所選取的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)。

（三）算法演示性實(shí)驗(yàn)

因?yàn)闄C(jī)器人教學(xué)的特殊性，給每個(gè)學(xué)生都配備機(jī)器人教學(xué)器材會(huì)增加相應(yīng)的教學(xué)成本，因此在本項(xiàng)目開(kāi)展前首先將機(jī)器人教學(xué)課程所在班級(jí)的學(xué)生分成若干個(gè)小組。同時(shí)，以演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式來(lái)增加學(xué)生對(duì)視覺(jué)導(dǎo)航機(jī)器人理論以及算法的感性認(rèn)識(shí)。具體的演示內(nèi)容主要包括視覺(jué)特征點(diǎn)分布在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景哪些區(qū)域，視覺(jué)SLAM場(chǎng)景點(diǎn)云信息以及機(jī)器人在二維點(diǎn)云信息下進(jìn)行導(dǎo)航規(guī)劃的效果。上述演示內(nèi)容如下圖所示：

通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)，學(xué)生對(duì)于視覺(jué)導(dǎo)航機(jī)器人領(lǐng)域的內(nèi)容有了進(jìn)一步的了解，為后續(xù)機(jī)器人領(lǐng)域的自主學(xué)習(xí)以及自主創(chuàng)新的實(shí)踐環(huán)節(jié)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。開(kāi)展完演示性教學(xué)之后可以根據(jù)演示內(nèi)容設(shè)計(jì)相關(guān)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，讓每個(gè)小組的學(xué)生完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從而鞏固相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容。此外，為了進(jìn)一步學(xué)習(xí)視覺(jué)導(dǎo)航內(nèi)容，還可以結(jié)合ROS系統(tǒng)下的move_base框架，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃。Move_base框架是ROS系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)航包，學(xué)生調(diào)用起來(lái)很方便。在用ROS系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人自主導(dǎo)航時(shí)，采用的仍是ROS navigation stack下的move_base框架，動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法采用的是DWA算法。move_base實(shí)則是為一個(gè)action提供了方便實(shí)現(xiàn)的方式。假如在掃描創(chuàng)建的二維地圖內(nèi)給定一個(gè)目標(biāo)，這個(gè)操作將嘗試控制一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)這個(gè)場(chǎng)景目標(biāo)。在總體框架圖中可以看到，move_base提供了ROS導(dǎo)航的配置、運(yùn)行、交互接口，它主要包括兩個(gè)部分。（1） 全局路徑規(guī)劃（global planner）：根據(jù)給定的目標(biāo)位置進(jìn)行總體路徑的規(guī)劃。（2） 本地實(shí)時(shí)規(guī)劃（local planner）：根據(jù)附近的障礙物進(jìn)行躲避路線規(guī)劃。

結(jié)合move_base框架以及之前建立的視覺(jué)SLAM地圖的投影信息便可以實(shí)現(xiàn)未知環(huán)境內(nèi)機(jī)器人的定點(diǎn)自主導(dǎo)航任務(wù)，從而拓寬學(xué)生們對(duì)于機(jī)器人自主導(dǎo)航知識(shí)的了解。

三、學(xué)生科技實(shí)踐

在學(xué)生掌握了一定的機(jī)器人理論基礎(chǔ)后，可進(jìn)一步鼓勵(lì)他們參加相關(guān)科技競(jìng)賽，例如華北五省機(jī)器人比賽、挑戰(zhàn)杯全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)生科技作品競(jìng)賽、互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等。這些比賽涵蓋了模式識(shí)別、圖像處理、電子信息、機(jī)械設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，比賽的宗旨在于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力，提升大學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)[9-10]。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，本校學(xué)生積極參與了2017年華北五省的機(jī)器人比賽，分別獲得了天津市賽區(qū)和五省比賽的三等獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)證書(shū)如下圖所示。

四、總結(jié)

視覺(jué)是作為機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的主核心，而視覺(jué)導(dǎo)航的精確性、高效率、環(huán)境匹配度是工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域追求的目標(biāo)。在工業(yè)日趨全自動(dòng)化和機(jī)械化的國(guó)際環(huán)境下，機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也進(jìn)入鉑金時(shí)代。社會(huì)急需先進(jìn)和客觀的教學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程和機(jī)器人教學(xué)課程的有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)成果顯著的教學(xué)目標(biāo)。將新的條件融入課堂，用于實(shí)踐，讓學(xué)生掌握更多的實(shí)際應(yīng)用技能是社會(huì)教育教學(xué)的真知和追求。

[[ 參 考 文 獻(xiàn) ]]

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[責(zé)任編輯：張 雷]