基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)設(shè)計

華 丹

(1.常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.南京理工大學(xué)，南京 210094)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人的研究在國外已經(jīng)相當(dāng)成熟，盡管國內(nèi)對機(jī)器人的研究也很重視，但是研究起步較晚，所以國內(nèi)的智能工業(yè)機(jī)器人研究效果較差[1]。在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，智能移動機(jī)器人的應(yīng)用多為簡單重復(fù)的工作，在復(fù)雜環(huán)境條件下，由于機(jī)器人不具備避障能力，所以很容易使機(jī)器人進(jìn)入無限循環(huán)[2]。

在機(jī)器人視覺檢測與避障的研究中，人們提出了許多新穎、實(shí)用的控制算法，使該問題得到一定程度的解決[3]。針對移動機(jī)器人避障過程中的實(shí)時性要求，提出了一種具有較強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力的控制算法——勢場法，作為一種全局規(guī)劃方法，勢場法具有許多優(yōu)點(diǎn)，采用勢場方法，每一障礙物均擁有二維直角網(wǎng)格，機(jī)器人移動時，目標(biāo)位置對移動機(jī)器人產(chǎn)生虛擬的引力，障礙對機(jī)器人產(chǎn)生排斥，移動機(jī)器人是由兩種力的結(jié)合而成，但勢場方法也有其不足之處，主要表現(xiàn)在3個方面：相鄰障礙物之間無法找到通路；障礙物面會出現(xiàn)搖擺；狹窄通道會出現(xiàn)搖晃[4]。本地控制方法主要針對未知環(huán)境，這是完全基于傳感器信息的一種反射策略。在機(jī)器人和環(huán)境中，無需知道障礙物的絕對坐標(biāo)，而只需知道其相對位置和相互關(guān)系，因此需要大量的傳感器探測環(huán)境信息。但檢測信息量大，所以實(shí)時性差，難以實(shí)現(xiàn)[5]。

在信息技術(shù)領(lǐng)域，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€術(shù)語，其實(shí)質(zhì)是一種共享型數(shù)據(jù)庫，在這種數(shù)據(jù)庫中，所儲存的數(shù)據(jù)或信息具有“不可偽造”、“留痕”和“可追蹤”的特征，并具有“公開透明”和"集體維護(hù)"的特征。區(qū)塊鏈技術(shù)就是基于這些特點(diǎn)，奠定了堅實(shí)的“信任”基礎(chǔ)，形成了可靠的“合作”機(jī)制，應(yīng)用前景廣闊。本文設(shè)計了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人視覺檢測與避障系統(tǒng)，優(yōu)化了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，保證了工業(yè)機(jī)器人在視覺檢測的基礎(chǔ)上完成避障任務(wù)[6]。

1 工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)電源設(shè)計

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人的電源主要由電源控制器、電源外圍電路以及電機(jī)驅(qū)動電路三部分組成。本文所涉及的系統(tǒng)電源選用36 V電壓電源作為電源載體，這部分電源載體通過30節(jié)1.2 V鋰電池串聯(lián)構(gòu)成，電源的總?cè)萘靠梢赃_(dá)到3 800 mAh，電源中給的控制器與電源連接設(shè)備所需要的電源電壓為6 V，電機(jī)驅(qū)動部分所需要的電壓為12 V，為了能夠滿足不同設(shè)備對于電壓的不同大小需求程度，本文在電源的電路選擇上采取了分配電壓較為穩(wěn)定的線性電路，如圖1所示，當(dāng)電源中所釋放的電壓需要根據(jù)設(shè)備的電壓需求程度產(chǎn)生電壓波動時，本文采用的線性穩(wěn)定電路能夠?qū)Χ喾N類型的電壓設(shè)備進(jìn)行持續(xù)安全的直流電壓輸出，這種穩(wěn)定線性電路在進(jìn)行電壓輸出的過程中會產(chǎn)生大量的熱量，但是由于電路體積較小，方便拆卸與安裝并且性能穩(wěn)定，所以可以將電源電路板安裝在通風(fēng)口出，通過自然通風(fēng)的方式緩解熱量大的缺陷[7]。

圖1 系統(tǒng)電源電路

本文電源所采用的線性穩(wěn)定電路中具備多種不同指標(biāo)的電壓數(shù)值，為不同電壓數(shù)值設(shè)備的電壓輸出提供良好的輸出通道，在線性穩(wěn)定電路中存在著大量的電容，這些電容能夠減少電源中的低頻紋波，同時還能夠解除高頻干擾保證了線性穩(wěn)定電路的穩(wěn)定運(yùn)行，在電源的控制器電路板中設(shè)計6 V的電壓轉(zhuǎn)換電路，電機(jī)驅(qū)動部分設(shè)計12 V的電壓電路，并且在12 V的電壓電路中預(yù)留4個電源外接端口，以備其他需要電源的設(shè)備獲取電源[8]。

在控制器的主電路板中還需要特殊的電路板供電電源，這種電路板供電電源的額定電壓為1.5 V，此電源是本系統(tǒng)中最小的電路供電電源，在此電源中共有64個去耦電容為電源輸送通道過濾高頻干擾以及電路雜質(zhì)，電路電源的引腳分別接到1.5 V的模擬供電電路板中，主要為控制器中的數(shù)字模型電路板芯片進(jìn)行供電[9]。本系統(tǒng)在控制器的電路板電源中還安裝了VDD數(shù)字供電芯片，具有備份供電數(shù)據(jù)和選擇性供電的功能。在電源控制器中有62個增強(qiáng)型的內(nèi)核單片裝置，這些裝置的供電電壓與控制器的電壓相同，當(dāng)電源電路復(fù)位時可以通過增強(qiáng)型內(nèi)核單片裝置對微型控制器進(jìn)行直接控制，避免因?yàn)殡娫幢旧懋a(chǎn)生的原因而導(dǎo)致控制器的非正常狀態(tài)下工作，內(nèi)核單片裝置電路圖如2所示。

圖2 內(nèi)核單片裝置電路圖

1.2 傳感器設(shè)計

工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行的過程中需要對障礙物進(jìn)行數(shù)據(jù)識別，需要依靠傳感器對障礙物所反射出的數(shù)據(jù)收集，通過傳感器所收集的障礙物數(shù)據(jù)達(dá)到工業(yè)機(jī)器人的視覺檢測功能，本文系統(tǒng)所采用的傳感器主要應(yīng)用紅外線的反射性能，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)中的紅外線發(fā)光二極管向障礙物發(fā)出紅外線時，傳感器內(nèi)部的光敏接收管可以接收到障礙物所反射的紅外線光，根據(jù)所反射紅外線光的強(qiáng)度可以判斷障礙物至機(jī)器人的距離[10]。本文所采用的傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.3 通信模塊設(shè)計

為了使工業(yè)機(jī)器人能夠在無線狀態(tài)下進(jìn)行障礙物識別與路徑判斷，本文選用TX-AS700無線射頻通信模塊的硬件電路，此通信模塊以電源控制器作為主機(jī)，可以在待機(jī)和供電的狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和障礙物數(shù)據(jù)儲存，為了增強(qiáng)障礙物數(shù)據(jù)的儲存容量本文選用CE作為通信模塊的容量引腳，KLN作為通信模塊的信號引腳，SCK作為通信模塊的通信輸入引腳[11]。通信模塊在進(jìn)行發(fā)射和接收通信數(shù)據(jù)時需要通過SPI信號接口，SPI信號接口是一種更高速，更具備兼容性的接口，可以實(shí)現(xiàn)八條通信總線進(jìn)行連接，還可以通過軟件模擬程序控制通信模塊的時序狀態(tài)圖來改變通信速率，這種通信模塊還可以利用時序狀態(tài)圖對未來的故障路徑進(jìn)行預(yù)測，利用這種模塊的兼容性來獲取障礙物的脈沖信號，如圖4所示為通信模塊的高兼容性時序圖：

圖4 通信模塊高兼容性能時序圖

1.4 檢測器設(shè)計

設(shè)計檢測器對移動機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)和周圍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測識別，檢測器的電路核心為HSJ-2芯片[12]。在檢測器中本文采用視覺晶體管作為工業(yè)機(jī)器人的視覺檢測顯示器，這種視覺晶體管主要應(yīng)用薄膜場效應(yīng)作為檢測原理，能夠以高速度、高亮度以及高對比度顯示機(jī)器人前方的障礙物參數(shù)信息，這種設(shè)計采用1.3英寸彩色顯示屏，6 V供電電壓，16位數(shù)據(jù)接口[13]。接口如圖5所示。

圖5 檢測器數(shù)據(jù)接口圖

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，是通過中心化和去信任的方式來維護(hù)數(shù)據(jù)庫的一種技術(shù)方案。區(qū)塊鏈技術(shù)的原理是將數(shù)據(jù)庫信息發(fā)給至整個系統(tǒng)，相當(dāng)于改變數(shù)據(jù)庫所有的記錄，發(fā)給全網(wǎng)的其他每個節(jié)點(diǎn)。結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，使區(qū)塊鏈具備儲存并整合圖像信息的能力，因此本文的軟件程序也為圖形化軟件，通過可視化處理設(shè)計程序界面，選用Visual C++軟件將模擬工業(yè)機(jī)器人障礙物檢測，通過區(qū)塊階矩得到障礙物檢測公式，判斷障礙是否存在，若存在則設(shè)計相應(yīng)的避障策略[14]。

機(jī)器人會利用視覺檢測提取障礙物的相關(guān)信息，將獲取的信息圖像轉(zhuǎn)變成RGB格式，通過分析圖像色彩，將障礙物圖像所在區(qū)域分成兩個區(qū)域，分別是安全區(qū)A和危險區(qū)B，設(shè)定機(jī)器人所在區(qū)域?yàn)镾，則根據(jù)計算區(qū)塊階矩得到障礙物檢測公式，一階矩計算公式為：

(1)

其中:t1表示計算得到的圖像一階矩，N表示安全區(qū)A和機(jī)器人所在區(qū)域S對應(yīng)的像素個數(shù)，M1表示像素值。

根據(jù)一階矩得到二階矩，計算公式為：

(2)

其中:t2為二階矩。三階矩，計算公式為：

(3)

根據(jù)三階矩得到比較結(jié)果值：

(4)

將得到的I(A,S)與閾值I0相比，判斷檢測結(jié)果是否有效，確定檢測效果有效后，程序會啟動濾波處理，通過二值化來分析障礙物的輪廓，根據(jù)障礙物輪廓得到最佳的避障方案。

2.2 工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)應(yīng)用程序

在避障環(huán)境下通過二維建模確定每個障礙物的大小、數(shù)量、個數(shù)、位置和形狀，通過分析工業(yè)機(jī)器人移動要求，設(shè)定工業(yè)機(jī)器人初始位置，并確定機(jī)器人的移動速度。在Visual C++程序下的避障軟件模型如圖6所示。

圖6 Visual C++程序下避障軟件模型

其中，x軸表示工業(yè)機(jī)器人橫向移動方向所在的直線，y軸表示垂直于機(jī)器人橫向移動方向所在的直線，S表示工業(yè)機(jī)器人，Z代表不同的障礙物。軟件通過程序總框架、計算程序和仿真程序?qū)崿F(xiàn)避障，程序總框架能夠?qū)④浖绦蜻B接到一起，及時地向用戶反饋消息，實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳遞，與人機(jī)界面交互選擇合適的運(yùn)行環(huán)境；計算程序包括邏輯判斷和數(shù)值轉(zhuǎn)化，能夠在短時間處理大量數(shù)據(jù)，在計算時，系統(tǒng)會自動引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)庫資料向程序總框架傳遞內(nèi)容，并得出有效的避障方案，這也是軟件的核心程序；仿真程序會根據(jù)計算結(jié)果在短時間內(nèi)模擬出機(jī)器人采取計算程序的移動路線，從而驗(yàn)證策略的有效性[15]。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)應(yīng)用程序避障流程如圖7所示。

圖7 基于區(qū)塊鏈技術(shù)避障系統(tǒng)應(yīng)用程序避障流程

應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)及機(jī)器視覺，通過上述流程完成工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)程序運(yùn)行，運(yùn)行得到的避障路徑將由檢測器及通信模塊傳輸至硬件部分，控制機(jī)器人選擇有效的避障路線。

3 實(shí)驗(yàn)與研究

為精準(zhǔn)評估本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)設(shè)計的檢測及避障性能，設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行性能檢驗(yàn)，將本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計效果與傳統(tǒng)基于PID調(diào)速算法的工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)設(shè)計及移動探測技術(shù)下工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。

針對區(qū)塊鏈技術(shù)操作的復(fù)雜性以及工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障設(shè)計的數(shù)據(jù)點(diǎn)檢索的困難性，需對其實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，訓(xùn)練研究的機(jī)器人數(shù)據(jù)，并將訓(xùn)練數(shù)據(jù)內(nèi)容及時記錄，存儲至相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)集合中，并按照數(shù)據(jù)操作的基礎(chǔ)準(zhǔn)則管理操作的研究數(shù)據(jù)，集中分析機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并進(jìn)行如下步驟的實(shí)驗(yàn)操作：

1)當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入設(shè)置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中時，結(jié)合已有的硬件與軟件系統(tǒng)條件下切換遠(yuǎn)程遙控模式，并通過無線通信傳輸檢測數(shù)據(jù)，控制機(jī)器人開始避障行為。

2)進(jìn)入無線通信遙控模式后，利用主控制器接收檢測終端無線系統(tǒng)發(fā)送的無線數(shù)據(jù)信息，并執(zhí)行研究指令，控制操作數(shù)據(jù)屬于系統(tǒng)運(yùn)行范圍內(nèi)。結(jié)合運(yùn)動動作監(jiān)控及機(jī)器人移動速度調(diào)節(jié)操作，基本控制機(jī)器人走向，確保實(shí)驗(yàn)研究的安全性。

3)分別設(shè)置4個相同的障礙物對機(jī)器人避障性能進(jìn)行檢測，固定機(jī)器人初始位置起點(diǎn)，選用運(yùn)動控制器操作機(jī)器人向前移動，設(shè)置轉(zhuǎn)彎起點(diǎn)位置，控制機(jī)器人的方向運(yùn)動，并及時記錄機(jī)器人移動的方向信息，將記錄的信息傳輸至主屏界面中進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)觀察，同時不斷監(jiān)視此時機(jī)器人所處的狀態(tài)，對比本文系統(tǒng)設(shè)計與傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在此實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)兩個不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，進(jìn)一步提高整體對比效果，并設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)表如表1～2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)1

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)2

在實(shí)驗(yàn)參數(shù)1及實(shí)驗(yàn)參數(shù)2條件下，采用傳統(tǒng)基于PID調(diào)速算法的工業(yè)機(jī)器人避障系統(tǒng)及移動探測技術(shù)下工業(yè)機(jī)器人避障系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對照組，測試3個系統(tǒng)的檢測有效率，對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 檢測有效率對比圖

分析圖8可知，基于PID調(diào)速算法的工業(yè)機(jī)器人避障系統(tǒng)的檢測有效率平均值為43%，移動探測技術(shù)下工業(yè)機(jī)器人避障系統(tǒng)的檢測有效率平均值為39%，而本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)的檢測有效率平均值為83%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計系統(tǒng)對障礙物的檢測有效率較高。

在此基礎(chǔ)上測試3種系統(tǒng)的避障準(zhǔn)確率，與理想避障效果對比，得到避障準(zhǔn)確率對比結(jié)果如圖9所示。

圖9 避障準(zhǔn)確率對比圖

根據(jù)以上圖示可以分析出，基于PID調(diào)速算法的工業(yè)機(jī)器人避障系統(tǒng)及移動探測技術(shù)下工業(yè)機(jī)器人避障系統(tǒng)的避障準(zhǔn)確率較差，而本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人視覺檢測及避障系統(tǒng)的避障準(zhǔn)確率接近理想避障效果，檢測有效率與避障準(zhǔn)確率均高于其他兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)。造成此種差異的原因在于本文系統(tǒng)設(shè)計按照系統(tǒng)的內(nèi)部需求執(zhí)行操作任務(wù)，不斷強(qiáng)化理論空間的數(shù)據(jù)可行性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)，按照相關(guān)硬件與軟件職能轉(zhuǎn)變其職能存儲模式，并調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)研究性能，加大對工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)的初始檢測力度，結(jié)合數(shù)據(jù)避障研究，升級其避障功能，理論化處理系統(tǒng)設(shè)計操作，由此獲取較好的數(shù)據(jù)操作結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計了一種新的工業(yè)機(jī)器人視覺避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過檢測器實(shí)現(xiàn)視覺檢測，利用內(nèi)部傳感器分析移動路徑中障礙物之間的距離，通過模糊控制分析輸出距離和輸出角，在驅(qū)動程序的配合下實(shí)現(xiàn)避障。相比于目前研究的其它避障系統(tǒng)，本文提出的工業(yè)機(jī)器人避障系統(tǒng)由于內(nèi)部數(shù)據(jù)庫資源充足，所以具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，能夠在短時間內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)避障。傳感器分析移動路徑中障礙物之間的距離，通過模糊控制分析輸出距離和輸出角，在驅(qū)動程序的配合下實(shí)現(xiàn)避障。相比于目前研究的其它避障系統(tǒng)，本文提出的工業(yè)機(jī)器人避障系統(tǒng)由于內(nèi)部數(shù)據(jù)庫資源充足，所以具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，能夠在短時間內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)避障。