摘要 針對(duì)仿人機(jī)器人的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有單目視覺(jué)的仿人機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)。在比較各種追蹤算法的基礎(chǔ)上，將算法應(yīng)用于機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別，并以此調(diào)整機(jī)器人前進(jìn)路線。根據(jù)FIRA比賽規(guī)則，決策系統(tǒng)通過(guò)視覺(jué)反饋和姿態(tài)反饋信息，調(diào)用底層動(dòng)作庫(kù)，進(jìn)行短跑運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)顯示算法適合仿人機(jī)器人參加競(jìng)技類(lèi)比賽。

關(guān)鍵詞 仿人機(jī)器人；跑步； Mean-Shift

中圖分類(lèi)號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）17-05680-03

Abstract According to the characters of humanoid robot， a multi-layers control system for humanoid robot based on single vision was designed. On the basis of the comparison of various tracking algorithms， the algorithm used in robot vision recognition， and thus adjust forward line of the robot. Under the rules of sprint in FIRA， motion planning of sprint was implemented by the decision system via the response of vision and pose of the robot. Experiments show that the algorithm is suitable humanoid robot to participate in athletic competitions.

Key words Humanoid robot； Running； Mean-Shift

進(jìn)入21世紀(jì)，仿人機(jī)器人研究取得了重大的進(jìn)展，許多研究機(jī)構(gòu)或大學(xué)都對(duì)機(jī)器人視覺(jué)研究投入了巨大的精力。其中全自主仿人機(jī)器人的研究是仿人機(jī)器人研究中非常熱門(mén)的一個(gè)領(lǐng)域。

視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)是全自主仿人機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它影響著機(jī)器人的總體性能，具有決定性的作用。仿人機(jī)器人對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、定位以及路徑和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃都建立在視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)基礎(chǔ)上。

1 視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著對(duì)仿人機(jī)器人多方面研究的深入，仿人機(jī)器人的各種傳感器也不斷增加。其中，視覺(jué)傳感器始終是最重要的傳感器之一。視覺(jué)對(duì)仿人機(jī)器人的來(lái)說(shuō)，就像眼鏡對(duì)于人類(lèi)。無(wú)論是識(shí)別、定位，還是跟蹤，都離不開(kāi)視覺(jué)系統(tǒng)。在FIRA比賽中，對(duì)于跑步類(lèi)的比賽，尤其是短跑比賽，程序的處理速度至關(guān)重要。速度是決定是否能贏得比賽的關(guān)鍵。

1.1 顏色空間

仿人機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)都是基于物體顏色特征的標(biāo)志，機(jī)器人根據(jù)顏色特征進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別和定位跟蹤。視覺(jué)識(shí)別主要包括顏色識(shí)別、圖像分割、圖像提取等。圖像顏色識(shí)別主要采用HSV顏色空間，圖像分割技術(shù)主要采用的是基于閾值分割原理的算法[1]。不管對(duì)識(shí)別物體進(jìn)行怎樣的操作，其前提是必須采用合理的顏色空間[2]。對(duì)于圖像分割技術(shù)，還沒(méi)有一種顏色空間可以替代其他的空間而能對(duì)所有彩色圖像進(jìn)行分割，因此需要根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的特點(diǎn)來(lái)選擇合適的顏色空間。

該研究針對(duì)FIRA比賽的特點(diǎn)，進(jìn)行基于視覺(jué)傳感器的視覺(jué)設(shè)計(jì)。選取HSV模型作為基于顏色識(shí)別算法的顏色空間。HSV模型具有對(duì)純色識(shí)別具有識(shí)別效率較高，而且識(shí)別處理速度快的特點(diǎn)。

1.2 視覺(jué)的框架設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用分層控制原理，通過(guò)單目攝像頭獲取目標(biāo)物體的圖像，將圖像傳入處理器并進(jìn)行圖像信息處理，決策系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用處理完的圖像信息和姿態(tài)傳感器傳來(lái)的姿態(tài)信息進(jìn)行分析并決策處理，最后通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器的調(diào)整進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的框架如圖1所示。

3 圖像抖動(dòng)分析

在比賽中，對(duì)于短跑運(yùn)動(dòng)而言，時(shí)間是贏得比賽的一項(xiàng)苛刻要求。因此，在運(yùn)動(dòng)步態(tài)方面，加大了關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使仿人機(jī)器人在保證行進(jìn)穩(wěn)定性的前提下運(yùn)動(dòng)速度盡量提高到最快。在快速的跑步運(yùn)動(dòng)下，仿人機(jī)器人的攝像頭會(huì)隨著機(jī)身浮動(dòng)，造成抖動(dòng)，使得攝像頭獲取圖像變得困難。其中最大的問(wèn)題就是圖像模糊。對(duì)于圖像模糊的解決方案可以采用去模糊化等一些算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。但是越復(fù)雜的算法往往會(huì)需要越多的時(shí)間，這對(duì)短跑比賽來(lái)說(shuō)是不利的。通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人調(diào)用的系統(tǒng)跑步命令，以最壞偏移角度來(lái)進(jìn)行跑步，所需要的運(yùn)動(dòng)時(shí)間可以通過(guò)試驗(yàn)獲得。因此，針對(duì)畫(huà)面抖動(dòng)這個(gè)問(wèn)題，采用了特殊的處理方式，可以以運(yùn)動(dòng)時(shí)間為單位，對(duì)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的圖片獲取部分進(jìn)行屏蔽。即在特定的時(shí)間內(nèi)，視覺(jué)系統(tǒng)采集的圖像不作為判斷偏移的依據(jù)，而是先進(jìn)行跑步運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間之后，再調(diào)用停止命令，使攝像頭穩(wěn)定，然后再進(jìn)行圖像的獲取與處理。這樣，既保證了不消耗太多時(shí)間處理圖像模糊，又保證了圖像采集的清晰化，為仿人機(jī)器人的偏移判斷提供穩(wěn)定的依據(jù)。

4 仿真與試驗(yàn)

圖2所示的是仿人機(jī)器人采用該研究提出的算法進(jìn)行短跑運(yùn)動(dòng)的實(shí)況截圖。每張截圖的時(shí)間間隔為1 s。試驗(yàn)顯示，仿人機(jī)器人能夠迅速順利地到達(dá)終點(diǎn)目標(biāo)。

5 結(jié)論

該研究設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)。通過(guò)采集攝像頭圖像，獲取目標(biāo)顏色信息，調(diào)用系統(tǒng)底層動(dòng)作庫(kù)，實(shí)現(xiàn)跑步運(yùn)動(dòng)。針對(duì)FIRA比賽的特點(diǎn)，對(duì)仿人機(jī)器人跑步前進(jìn)動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行方向調(diào)整。通過(guò)試驗(yàn)顯示，具有視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的仿人機(jī)器人具有很好的試驗(yàn)效果。

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