林財德　吳黃懿　余羅兼

摘要：通過對比傳統(tǒng)觸碰式家用移動清掃機器人和采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機器人實際工作路徑效果，發(fā)現兩者的總體路徑相率是相當的。采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機器人的路徑效果略低，這與視場規(guī)劃及使用環(huán)境的光線有很大關系。通過本次的對比試驗，對工程設計人員的進一步開發(fā)有著重要意義。

關鍵詞：清掃機器人 RGB-D 路徑規(guī)劃

中圖分類號：TG502.14 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）04-0078-02

Abstract：In this paper， by comparing the traditional touch home mobile cleaning robot and the RGB-D visual system using domestic mobile cleaning robot path effect in practical work， found the general path fraction both is quite. RGB-D visual system using the domestic mobile cleaning robot path effect is slightly low， which has much to do with the field planning and the use of the environment light. Through the contrast test of the time， is of great significance to further development of the engineering design personnel.

Key Words：cleaning robot， RGB-D，path planning

隨著服務機器人產業(yè)的推進，家用移動清掃機器人已經得到普及并獲得一定的市場認可度。然而，當前市場上銷售的家用移動清掃機器人主要配置接觸傳感器，其算法及相關控制模塊的研究已相對成熟；而配置RGB-D視覺為傳感器件的機器人剛進入市場，其相關研究和探索還有待進一步深入。RGB-D視覺系統(tǒng)通過整合一個標準RGB攝像機和一個深度傳感器，從而獲得周圍環(huán)境的三維空間信息。家用移動清掃機器人開發(fā)領域中的一個重要分支是路徑規(guī)劃技術，即在達到系統(tǒng)規(guī)劃評價指標最優(yōu)的前提下計算出一條在設定范圍內從出發(fā)點到終止點且經過所有要求點的連續(xù)路徑。路徑規(guī)劃的方法比較多，大致可以分為兩種：基于任務導向的路徑規(guī)劃方法和基于行為導向的路徑規(guī)劃方法。前者對環(huán)境感知的要求較高，是一種靜態(tài)規(guī)劃方法；后者主要使用在未知環(huán)境中，是一種動態(tài)規(guī)劃方法。隨著人們對機器智能程度的要求不斷提升，基于行為導向的路徑規(guī)劃方法愈來愈受到研究人員和工程師們的關注。特別是當微軟發(fā)布了KINECT深度相機，廉價且容易實現的RGB-D視覺系統(tǒng)成為了研究的有效途徑。文獻[1]通過微軟的KINCET系統(tǒng)，完成了機器人六自由度運動估計，為實現機器人自主導航建立了模型基礎。韓崢等[2]采用KINCET系統(tǒng)獲取抓點位置信息，并通過RRT算法實現機械臂的軌跡路徑設計。文獻[3]通過KINCET系統(tǒng)，使用限制性狀態(tài)自動機理剝離姿態(tài)，配合動態(tài)時態(tài)規(guī)整姿態(tài)設計，構建了一種即插即用的虛擬現實交互技術。然而，采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機器人能否在清掃效率上更優(yōu)于傳統(tǒng)的觸碰開關式家用移動清掃機器人呢？

本文將通過試驗比對傳統(tǒng)家用移動清掃機器人和采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機器人的實際路徑效果，為進一步開發(fā)和提升家用移動清掃機器人提供數據依據。

1 實驗機器的基本結構

1.1 基本組成

采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機器人，其組成大致分為行走機構、RGB-D視覺系統(tǒng)和上位機控制系統(tǒng)。其中行走機構采用美國iRobot公司的Roomba傳統(tǒng)觸碰式清掃機器人（圖1所示）。視覺系統(tǒng)使用相對便宜的RGB-D視覺系統(tǒng)，由華碩公司開發(fā)的Xtion pro 攝像頭。Xtion pro Live實際上是一種3D體感攝像頭（圖2所示），配備有三個鏡頭，中間的鏡頭是RGB VGA攝像頭，分辨率為640x480，左右兩邊鏡頭則分別為紅外線發(fā)射器和紅外線CMOS攝像頭所構成的3D深度感應器，分辨率為640x480，可視角度為水平45度，垂直57.5度，最大幀率為60FPS，探測距離為0.8m-3.5m。

通過開源的軟件Ubuntu for ROS實現上位機和下位機之間的通訊。

1.2 實驗前準備

測量前了解實驗設備的誤差范圍，測量移動機器人移動的線速度，要測量移動機器人的路程和時間（圖3所示），根據v=s/t ，測試線速度大小。為了準確測量需要進行多次實驗，設計實驗表格（表1所示），表格中設計實驗次數、路程、時間、速度四列。測試的范圍，移動的時間都比較短，不容易測量，為提高實驗數據的可操作性，把測試的范圍擴大。移動機器人移動速度跟路程和時間同時有關，v=s/t 和v=1/t/s 都能表示物體的運動速度，但是還是有區(qū)別的，v=s/t 表示單位時間內經過的路程越多，速度越大， v=1/t/s 表示經過單位路程用時越少，速度越大，選擇v=s/t 作為比較物體運動速度的公式。

由以上實驗結果可知：第一是運動誤差，移動機器人的運動學模型是建立在理想狀態(tài)下的，如輪子純滾動，而理想狀態(tài)是不存在的；第二是測量誤差，實驗平臺的工作空間及實驗平臺的位姿都是人工測量的，總難免存在誤差。

2 測試試驗

為了驗證移動機器人路徑規(guī)劃相關研究，布置如圖4所示的試驗場景進行移動機器人實驗平臺的實時避障實驗。移動機器人的移動范圍為一個6900mm×8380mm工作空間。

工作空間中無規(guī)則地設置了多邊形障礙物，障礙物是靜止的，其頂點坐標已知。在移動機器人上建立局部坐標系（X，Y），移動機器人實驗平臺的位姿由（X，Y，）決定，其中X與Y的單位為毫米。現在假設移動機器起始點位姿為（60，60），目標點位姿為（600，810），要實現起始點到目標點的導航。圖5為沒有采用RGB-D視覺系統(tǒng)的機器人方案，相應測試結果如表2。圖6為采用RGB-D視覺系統(tǒng)的機器人方案，相應測試結果如表3。

由以上試驗結果可知，移動機器人的實際路徑與期望路徑相當接近，即系統(tǒng)有較高的跟蹤精度。路徑跟蹤系統(tǒng)能較好地實現規(guī)劃路徑的復現，移動機器人能較好地完成任務。RGB-D機器人路徑效率比傳統(tǒng)機器人低的主要原因和視場規(guī)劃沒有做好有較大關系，由于光線及遮擋降低了視覺系統(tǒng)的辨識效率。

3 結語

本文通過對比傳統(tǒng)觸碰式家用移動清掃機器人和采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機器人的實際路徑效果，發(fā)現總體路徑相率是相當的。采用RGB-D視覺系統(tǒng)的家用移動清掃機器人的路徑效果略低，和視場規(guī)劃及使用環(huán)境的光線有很大關系，通過本次對比試驗，對工程設計人員的進一步開發(fā)有著重要意義。

參考文獻

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