機器視覺的機器人混合路徑規劃原理及策略分析

徐秋錦

摘 要：機器人的遠程控制技術突破了傳統現場控制方式的空間限制的同時，也增強了機器人的自主性。本文主要就人工勢場法的機器人局部路徑規劃方法進行闡述，然后對混合路徑規劃原理和混合路徑規劃流程加以分析，最后就機器人遠程控制系統設計詳細探究。

關鍵詞：機器視覺；機器人；遠程控制

機器人的路徑規劃是機器人遠程控制技術的研究熱點，機器人首先感知外部環境信息，分析處理這些信息并作出決策，規劃出自身的運動路徑。機器人主要通過傳感器感知外部環境信息。相比其他傳感器，視覺傳感器為機器人提供了較為全面的環境信息，結合機器視覺技術進行路徑規劃，增強了機器人理解外部環境信息的能力，提高了路徑規劃的效果。

1人工勢場法的機器人局部路徑規劃方法

在實際情況中，很少出現絕對的局部極小值問題，大部分情況為局部陷阱問題，局部極小值可以認為是局部陷阱的一種。局部陷阱的主要特征是在一個區域內往復運動或者停止，但是無法走出該區域。在動態環境避障過程中，由于動態障礙物的位置時刻變化，在動態障礙物的避障過程中，其產生的斥力方向不斷變化，不容易陷入局部陷阱。機器人在成功避開動態障礙物中，環境中的靜態障礙物對其也有斥力影響，在針對靜態障礙物的避障過程中，由于障礙物位置固定，對機器人的合力方向固定，機器人容易陷入局部陷阱，為此，我們設定了機器人是否陷入局部陷阱的判定依據，檢測機器人是否陷入局部陷阱之中。

我們可以依據歷史的路徑特性判斷機器人是否處于局部陷阱。首先以機器人當前位置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。然后設定一個檢測間隔時間t，保證經過時間t機器人可以走出局部陷阱檢測圓。機器人運動t時間后，檢測其位置C2，如果C2還在局部陷阱檢測圓之內說明機器人陷入了局部陷阱之中。

2混合路徑規劃原理和混合路徑規劃流程分析

2.1混合路徑規劃原理分析

混合路徑規劃利用環境中的全局信息，在全局環境的柵格化地圖下通過A*路徑規劃算法得出全局路徑指導機器人運動。機器人沿全局路徑運行時，通過安裝在機器人身上的局部攝像頭，探測機器人周圍是否存在局部障礙物。檢測到局部障礙物，機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，機器人執行不同的避障策略。當檢測到的局部障礙物為靜態局部障礙物，由于靜態局部障礙物位置固定，檢測之后可認為靜態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，機器人有兩種避開靜態局部障礙物的方法，一種是靜態環境下的人工勢場法執行局部路徑規劃，另一種是通過柵格地圖執行A*搜索全局路徑規劃。

2.2混合路徑規劃流程分析

混合路徑規劃方法的主要過程是先通過先驗性的全局信息得出全局最優路徑，指導機器人沿全局最優路徑運行，某一時刻檢測到局部視野中存在局部障礙物，判斷其狀態參數，計算相關的輸入參數執行局部路徑規劃，局部路徑規劃執行中機器人遠離全局最優路徑，重新執行全局路徑規劃，反之回到全局最優路徑上，繼續運行。

3機器人遠程控制系統設計探究

實現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際環境進行采樣的一個過程，通過軟件開發底層控制視頻采集是非常復雜的事情，為此，針對不同的開發環境，相關公司提供了不同的軟件開發包降低視頻米集的難度，如Windows系統下的VFW（Video for Windows），Linux系統下的V4L2（Video for Linux two）等等。針對不同的開發環境，我們可以選擇不同的開發軟件工具進行視頻采集。

3.2視頻壓縮編碼及解碼

視頻數據采集完成后，需要對視頻進行壓縮編碼，減少傳輸視頻的數據量。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網絡傳輸協議

無論是無線網絡傳輸還是有線網絡傳輸，其內部的通信協議都是一致的，區別在于通信的載體，無線通信為WLAN等無線環境，有線通信為通信電纜?？刂浦噶顐鬏斖ǔ２捎肨CP協議，保證了控制指令數據的正確性，然而TCP協議的實時性差，不適用于視頻傳輸，為了解決這個問題，本文視頻傳輸采用基于UDP的RTP[44]通信協議。

系統采用傳統的基于服務器/客戶機的控制模型，其中機器人系統作為服務器，遠程控制終端作為系統的客戶端。機器人服務端中，包含傳感器采集模塊、視頻采集模塊、指令執行模塊、權限控制模塊以及通信模塊，其中傳感器采集模塊負責采集機器人本身的狀態信息，如運動速度、運動位移等。視頻采集模塊采集視頻并壓縮。指令執行模塊執行從遠程控制終端發過來的控制指令。權限控制模塊負責區別嘗試連接服務器的客戶端的權限信息，以此為依據分配給該客戶相應的服務。

在系統的硬件結構中，無線通信模塊可以采用基于IEEE802.11標準的無線網卡，現場控制器可以選用以ARM、單片機為主控板的嵌入式系統，也可以采用以傳統的PC機加運動控制卡的形式。系統可采用傳統的PC機作為遠程控制終端，也可以采用平板電腦、智能手機等智能移動設備。

用戶層主要實現用戶與遠程控制終端之間的交互，通過用戶層，用戶可以觀察機器人服務器端傳回的視頻，發送相關控制指令。

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器端能夠識別的指令包，同時解析客戶端通過通信層接收到的指令包，對視頻包進行解壓縮操作。

4結語

隨著計算機科學、控制算法及理論、人工智能技術的快速發展，機器人遠程控制技術在日常生活中的應用日益廣泛，在深海探險、惡劣工作環境中作業等領域也起著至關重要的作用。通過此次的理論研究，對實際的技術發展應用就能起到積極促進作用。

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