机器视觉的机器人混合路径规划原理及策略分析

徐秋锦

摘 要：机器人的远程控制技术突破了传统现场控制方式的空间限制的同时，也增强了机器人的自主性。本文主要就人工势场法的机器人局部路径规划方法进行阐述，然后对混合路径规划原理和混合路径规划流程加以分析，最后就机器人远程控制系统设计详细探究。

关键词：机器视觉；机器人；远程控制

机器人的路径规划是机器人远程控制技术的研究热点，机器人首先感知外部环境信息，分析处理这些信息并作出决策，规划出自身的运动路径。机器人主要通过传感器感知外部环境信息。相比其他传感器，视觉传感器为机器人提供了较为全面的环境信息，结合机器视觉技术进行路径规划，增强了机器人理解外部环境信息的能力，提高了路径规划的效果。

1人工势场法的机器人局部路径规划方法

在实际情况中，很少出现绝对的局部极小值问题，大部分情况为局部陷阱问题，局部极小值可以认为是局部陷阱的一种。局部陷阱的主要特征是在一个区域内往复运动或者停止，但是无法走出该区域。在动态环境避障过程中，由于动态障碍物的位置时刻变化，在动态障碍物的避障过程中，其产生的斥力方向不断变化，不容易陷入局部陷阱。机器人在成功避开动态障碍物中，环境中的静态障碍物对其也有斥力影响，在针对静态障碍物的避障过程中，由于障礙物位置固定，对机器人的合力方向固定，机器人容易陷入局部陷阱，为此，我们设定了机器人是否陷入局部陷阱的判定依据，检测机器人是否陷入局部陷阱之中。

我们可以依据历史的路径特性判断机器人是否处于局部陷阱。首先以机器人当前位置C1为圆心，选取斥力的影响范围。为半径画圆，作为局部陷阱检测圆。然后设定一个检测间隔时间t，保证经过时间t机器人可以走出局部陷阱检测圆。机器人运动t时间后，检测其位置C2，如果C2还在局部陷阱检测圆之内说明机器人陷入了局部陷阱之中。

2混合路径规划原理和混合路径规划流程分析

2.1混合路径规划原理分析

混合路径规划利用环境中的全局信息，在全局环境的栅格化地图下通过A*路径规划算法得出全局路径指导机器人运动。机器人沿全局路径运行时，通过安装在机器人身上的局部摄像头，探测机器人周围是否存在局部障碍物。检测到局部障碍物，机器人通过一定的方法分辨局部障碍物的类型，针对不同类型的局部障碍物，机器人执行不同的避障策略。当检测到的局部障碍物为静态局部障碍物，由于静态局部障碍物位置固定，检测之后可认为静态局部障碍物为已知信息，将其更新到全局地图之中。更新地图之后，机器人有两种避开静态局部障碍物的方法，一种是静态环境下的人工势场法执行局部路径规划，另一种是通过栅格地图执行A*搜索全局路径规划。

2.2混合路径规划流程分析

混合路径规划方法的主要过程是先通过先验性的全局信息得出全局最优路径，指导机器人沿全局最优路径运行，某一时刻检测到局部视野中存在局部障碍物，判断其状态参数，计算相关的输入参数执行局部路径规划，局部路径规划执行中机器人远离全局最优路径，重新执行全局路径规划，反之回到全局最优路径上，继续运行。

3机器人远程控制系统设计探究

实现视频传输包括如下步骤，分别是：视频采集、视频压缩编码、视频封装、视频传输、视频解包、视频解码及视频显示等。

3.1视频采集

视频采集是摄像头对实际环境进行采样的一个过程，通过软件开发底层控制视频采集是非常复杂的事情，为此，针对不同的开发环境，相关公司提供了不同的软件开发包降低视频米集的难度，如Windows系统下的VFW（Video for Windows），Linux系统下的V4L2（Video for Linux two）等等。针对不同的开发环境，我们可以选择不同的开发软件工具进行视频采集。

3.2视频压缩编码及解码

视频数据采集完成后，需要对视频进行压缩编码，减少传输视频的数据量。视频压缩编码是摒弃采集的视频信息中的冗余成分，保留人眼可识别的敏感部分。视频压缩算法主要包含H.263以及MPEG-4系列，其中MPEG-4的视频压缩比较好，逐渐成为视频压缩的主流算法。

3.3网络传输协议

无论是无线网络传输还是有线网络传输，其内部的通信协议都是一致的，区别在于通信的载体，无线通信为WLAN等无线环境，有线通信为通信电缆。控制指令传输通常采用TCP协议，保证了控制指令数据的正确性，然而TCP协议的实时性差，不适用于视频传输，为了解决这个问题，本文视频传输采用基于UDP的RTP[44]通信协议。

系统采用传统的基于服务器/客户机的控制模型，其中机器人系统作为服务器，远程控制终端作为系统的客户端。机器人服务端中，包含传感器采集模块、视频采集模块、指令执行模块、权限控制模块以及通信模块，其中传感器采集模块负责采集机器人本身的状态信息，如运动速度、运动位移等。视频采集模块采集视频并压缩。指令执行模块执行从远程控制终端发过来的控制指令。权限控制模块负责区别尝试连接服务器的客户端的权限信息，以此为依据分配给该客户相应的服务。

在系统的硬件结构中，无线通信模块可以采用基于IEEE802.11标准的无线网卡，现场控制器可以选用以ARM、单片机为主控板的嵌入式系统，也可以采用以传统的PC机加运动控制卡的形式。系统可采用传统的PC机作为远程控制终端，也可以采用平板电脑、智能手机等智能移动设备。

用户层主要实现用户与远程控制终端之间的交互，通过用户层，用户可以观察机器人服务器端传回的视频，发送相关控制指令。

控制层是客户端软件的核心层，该层将用户通过用户层交互的输入信息封装成服务器端能够识别的指令包，同时解析客户端通过通信层接收到的指令包，对视频包进行解压缩操作。

4结语

随着计算机科学、控制算法及理论、人工智能技术的快速发展，机器人远程控制技术在日常生活中的应用日益广泛，在深海探险、恶劣工作环境中作业等领域也起着至关重要的作用。通过此次的理论研究，对实际的技术发展应用就能起到积极促进作用。

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