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展，機器人應用技術成了科學研究的新方向。機器人技術日新月異，從二十世紀六十年代第一代機器人的“示教-再現”技術到第二代機器人的傳感技術的運用再到第三代智能機器人的問世，機器人技術與世界高端技術不斷的進行融合，不斷的進行提高，但是在機器人技術提高的同時也要注重機器人避障能力的提高。

關鍵詞：輪式小車；視覺跟蹤；避障方法；研究

隨著社會的不斷進步，智能化漸漸成為人們生活中必不可少的一項新技術，而智能化生活也是人們科學研究的熱點。移動機器人在國家的經濟和國防安全中都起著重要的作用，移動機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器人從構想投入實際運用的關鍵，因此對移動機器人避障方法的研究是科技研究的重點，如何讓移動機器人精準的進行道路避障一直是困擾科技人員的難題，這也是當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計方案

在進行輪式小車避障研究中需要把輪式小車設計方案的選擇放在首要位置，任何一項新型技術的研究必須要選擇正確有效的設計方案，因為方案設計的優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中擇優的選擇，能夠讓后期的研究沿著正確的方向進行，讓智能化輪式小車更快的進入人們的生活中，更好的為人們服務。例如在輪式小車避障方法的兩個方案中，方案一：設計方案是使用三個支撐點來使小車運行得到穩定，但是只有一個輪子是用來控制前進和轉向的，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定的速度進行移動；如果想要沿曲線移動，就需要事先進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動，在小車的兩側安裝了兩個電機，這樣就可以分別獨立的驅動一個輪子，而且驅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。

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

二、輪式小車避障方法的研究

（一）傳統小車避障方法的優劣分析

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劃，傳統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境中進行行走的時候，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。為了能夠適應輪式小車的避障路徑標準，研究者在人工勢場法的基礎上進行了改進，采用了新的一種方法—避障最優控制方法，這種方法的優勢在于能夠在進行避開障礙物的同時完成原先預定的工作目標，但是這種方法對路徑的起點的要求十分嚴格。

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境的，能夠將整個工作環境劃分為有二值信息的柵格，然后再通過算法進行避障路徑的確定。柵格法中關鍵之處就在于柵格的大小選擇上，柵格的大小是影響環境信息存儲量和路徑規劃時間的直接因素。當柵格選取的越大，周圍環境的分辨率就會越小，在進行小車避障路徑的規劃時因為環境存儲信息量小，所以規劃時間就會較短；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

在進行輪式小車避障道路規劃的時候如果將輪式小車當做一個質點進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點，就會忽略輪式小車的體型和構造，在進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）區域分割法

傳統的輪式小車避障方法雖然有很多優點但是同時也存在著缺點，在新時代技術的不斷發展下，傳統的避障算法漸漸被摒棄或者被不斷的改進，在不斷的研究改進中，新的避障算法應時而生。區域分割法，根據輪式小車運行的軌跡特點進行特定的區域劃分，每個區域對應一個軌跡，保證在規定區域內，輪式小車在進行無障礙物阻擋的情況下能夠進行直行、左轉和右轉，當輪式小車在直行前進的時候遇到障礙物能夠選擇左轉或者右轉的方式來躲避障礙物。視覺效應能夠將本是三維的障礙物抽象變為二維平面，小車在進行前進的時候，能夠運用傳感器系統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行方向改變，從而避開障礙物。

（三）避障控制系統軟件的提升

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

三、結語

新時代在不斷的發展中，輪式小車漸漸進入社會的各項行業中，無論是在農業、軍事還是工業等領域都占據著重要的地位，它們在其中發揮的作用不容忽視。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注的研究重點。雖然我國的科技在飛速的發展，但是輪式小車的避障方法還有待繼續提高，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中發揮其特有的作用和價值。

參考文獻：

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[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，2014.

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

項目名稱：咸陽師范學院國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目（項目編號：2016011）

作者簡介：霍佳佳（1995-），男，陜西榆林人，就讀于咸陽師范學院電氣工程及其自動化專業三年級。