基于人機(jī)信息交互的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航研究

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院自動(dòng)化系，長(zhǎng)春 130122）

隨著人工智能技術(shù)的全方面發(fā)展，服務(wù)型機(jī)器人不再是設(shè)想，已經(jīng)進(jìn)入了概念型號(hào)階段，為降低服務(wù)行業(yè)人工成本提供了一條新的途徑[1]。服務(wù)機(jī)器人具有初級(jí)的智慧，可以依照人機(jī)交互的指令，實(shí)現(xiàn)半自主工作，為人類提供設(shè)定好的服務(wù)內(nèi)容。但是在當(dāng)前階段，受環(huán)境復(fù)雜性、導(dǎo)航精度等技術(shù)原因制約，室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人的導(dǎo)航問(wèn)題尚沒(méi)有完善的解決方案，是業(yè)界努力攻破的難題之一[2]。為此，提出一種以人機(jī)信息交互為技術(shù)路徑的導(dǎo)航方法研究。

1 基于人機(jī)信息交互的機(jī)器人導(dǎo)航方法

導(dǎo)航方法以視覺(jué)成像為信息輸入，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的圖像信息特征，完成指令的輸入。路徑規(guī)劃算法根據(jù)這些特征，完成位置定位，并規(guī)劃好到達(dá)目的地的最優(yōu)路徑。為提高導(dǎo)航的實(shí)用性能，還增加了機(jī)器人位置的實(shí)時(shí)校正，保證位置信息的可靠性。

1.1 視覺(jué)成像定位方法

為提供對(duì)視覺(jué)圖像處理的支持，軟件設(shè)計(jì)采用單目視覺(jué)的機(jī)器人定位法，從立體視覺(jué)的視角出發(fā)，優(yōu)點(diǎn)是能獲取周圍環(huán)境的深度信息，能夠準(zhǔn)確定位，全方位的視覺(jué)感知不需要控制攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)。具有簡(jiǎn)單易用和降低算法難度等特點(diǎn)。與超聲波測(cè)距機(jī)等距離信息傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景內(nèi)立體視覺(jué)定位，構(gòu)建具有三維向量環(huán)境特征信息的環(huán)境模型?？紤]到室內(nèi)照明條件的不均一性，需要為視覺(jué)成像定位設(shè)備提供補(bǔ)光照明設(shè)備，擺脫復(fù)雜環(huán)境條件下對(duì)室內(nèi)照度條件的嚴(yán)苛要求。

1.2 最優(yōu)移動(dòng)路徑規(guī)劃

在構(gòu)建了環(huán)境模型并定位到自身位置的情況下，可以根據(jù)可移動(dòng)路線，在當(dāng)前位置和目標(biāo)位置間通過(guò)算法計(jì)算位移量，選擇出最優(yōu)移動(dòng)路徑。最優(yōu)路徑規(guī)劃算法的核心是“直線移動(dòng)，規(guī)避障礙”。這里的障礙是廣義的概念，既包括制約機(jī)器人通過(guò)的障礙物體，也包括人為設(shè)定的禁止進(jìn)入?yún)^(qū)域。移動(dòng)路徑規(guī)劃的流程是：定位—目標(biāo)位置—障礙判定—障礙物類型分析—規(guī)避方式選擇—制定移動(dòng)路線—執(zhí)行。定位是通過(guò)上文所述視覺(jué)特征值定位；目標(biāo)位置是人機(jī)信息交互設(shè)定的位置；障礙判定是通過(guò)視覺(jué)三維成像，獲取障礙物的物理信息；障礙物類型分析是關(guān)鍵的一步，根據(jù)獲取到的障礙物信息，判定規(guī)避方式，選擇繞過(guò)或跨過(guò)方式；根據(jù)選定的規(guī)避方式，計(jì)算機(jī)器人自身的動(dòng)作指令集；執(zhí)行指令，完成動(dòng)作。

1.3 機(jī)器人位置校正

由于視覺(jué)定位和超聲波測(cè)距的精度與匹配性問(wèn)題，為機(jī)器人定位導(dǎo)航帶來(lái)了誤差，為消除誤差，保證精度，采用人機(jī)信息交互的位置校正方法。機(jī)器人位置校正采取周期檢測(cè)的方式進(jìn)行。在校正模式下，機(jī)器人導(dǎo)航設(shè)備根據(jù)采集到的信息，給出當(dāng)前自身位置、目標(biāo)位置和擬移動(dòng)路線，以平面圖像的形式展示給校正人員，校正人員根據(jù)標(biāo)定過(guò)的位置測(cè)定儀器獲取機(jī)器人當(dāng)前位置，與機(jī)器人的輸出值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)差異并校正，由此實(shí)現(xiàn)本文研究。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證機(jī)器人導(dǎo)航方法的有效性，采用實(shí)驗(yàn)的方式予以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)對(duì)象由移動(dòng)機(jī)器人和人機(jī)交互平臺(tái)組成，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地在實(shí)驗(yàn)房間進(jìn)行，人為的布置了模擬室內(nèi)設(shè)施的障礙。布局圖如圖1（a）所示。機(jī)器人由所在位置出發(fā)，在人機(jī)信息交互的幫助下，選擇路線規(guī)避障礙物，移動(dòng)到圖中A點(diǎn)位置。

圖1（a）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與障礙物布局圖

圖1（b）機(jī)器人導(dǎo)航移動(dòng)路線圖

實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行了10次，每次人為的將機(jī)器人初始位置加以改動(dòng)。機(jī)器人通過(guò)實(shí)驗(yàn)人員提供的位置圖像特征信息，均能夠準(zhǔn)確的繞開障礙物，到達(dá)A點(diǎn)。導(dǎo)航路線示意如圖1（b）所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明機(jī)器人在人機(jī)信息交互下通過(guò)導(dǎo)航成功地避開了障礙物，到達(dá)指定位置，導(dǎo)航方法具有有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人功能的第一步，準(zhǔn)確、安全、高效的導(dǎo)航能夠?yàn)闄C(jī)器人提供智能化的移動(dòng)能力，只有機(jī)器人可以自由移動(dòng)，才能夠?yàn)槿祟愄峁└鞣N各樣的服務(wù)，這是服務(wù)機(jī)器人的趨勢(shì)與方向。希望通過(guò)本文的設(shè)計(jì)，為機(jī)器人智能化提供一條切實(shí)可行的技術(shù)路徑。