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        機(jī)器人大賽中的物聯(lián)網(wǎng)感知和機(jī)器視覺的應(yīng)用

        2020-05-09 09:56:17黃一航解迎剛馬曉宇張祖貽張?zhí)靷?/span>
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:移動機(jī)器人物聯(lián)網(wǎng)傳感器

        黃一航 解迎剛 馬曉宇 張祖貽 張?zhí)靷?/p>

        摘 要:通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器和數(shù)據(jù)分析技術(shù),機(jī)器人可以獲得更廣泛的態(tài)勢感知,從而更好地執(zhí)行任務(wù)。文中根據(jù)機(jī)器人大賽動態(tài)避障賽程的集體要求,搭建了基于ROS平臺工業(yè)機(jī)器人開源平臺,應(yīng)用Python語言進(jìn)行Gazebo虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的搭建,基于雙目視覺完成了靜態(tài)避障與動態(tài)避障功能,完成了機(jī)器人大賽的具體比賽。

        關(guān)鍵詞:移動機(jī)器人;ROS平臺;Gazebo系統(tǒng);智能避障;傳感器;物聯(lián)網(wǎng)

        中圖分類號:TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:2095-1302(2020)04-00-03

        0 引 言

        近幾年,各行各業(yè)服務(wù)型機(jī)器人發(fā)展迅猛,服務(wù)機(jī)器人逐漸參與到人們的生活中。服務(wù)型機(jī)器人是最為實用也是最貼近人類生活的存在,爭位在服務(wù)型機(jī)器人行業(yè)中并沒有得到太多學(xué)者的研究,但在救援或者戰(zhàn)爭的環(huán)境下爭位機(jī)器人還是起到比較重要的地位。因此一些本學(xué)科的專家,提倡讓學(xué)生自主發(fā)揮想象力,使學(xué)生對機(jī)器人的研究更上一個臺階,同時提髙學(xué)生對機(jī)器人的興趣,培養(yǎng)學(xué)生良好的工作實踐能力,培養(yǎng)學(xué)生對機(jī)器人技術(shù)的興趣和熱情。

        中國機(jī)器人大賽是目前中國影響力最大、綜合技術(shù)水平最高的機(jī)器人學(xué)科競賽之一,是我國最具影響力、最權(quán)威的機(jī)器人技術(shù)大賽、學(xué)術(shù)大會和科普盛會,是當(dāng)今中國智能制造技術(shù)和高端人才的重大交流活動。本次比賽是以TurtleBot機(jī)器人為硬件基礎(chǔ)的,讓我們更深一步的學(xué)習(xí)了TurtleBot的技術(shù)原理與應(yīng)用方法。

        1 中國機(jī)器人大賽具體技術(shù)和規(guī)則要求

        比賽規(guī)則是在Gazebo虛擬系統(tǒng)中,控制TurtleBot機(jī)器人。那么得分原則有如下兩個標(biāo)準(zhǔn):

        (1)機(jī)器人從起點出發(fā),能成功到達(dá)終點,則獲得基礎(chǔ)加分;

        (2)機(jī)器人從起點到終點用時越短,加分越多。

        因此要考慮兩個因素:

        (1)如何讓機(jī)器人自助規(guī)劃路徑,使其能夠避開障礙物并且行駛到終點;

        (2)如何讓機(jī)器人規(guī)劃出最優(yōu)路徑,使其能夠在最短的時間內(nèi)到達(dá)終點。

        機(jī)器人大賽比賽規(guī)則見表1所列。

        在此任務(wù)中,障礙位置由服務(wù)器在客戶端程序首次啟動時給出,需要參賽選手對機(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行很好的控制,并制定好路徑規(guī)劃策略。在該任務(wù)中,將會有以下幾個任務(wù)點。

        (1)場景一:有3個障礙物,分別位于1/4線,1/2線,3/4線。該場景下,最高分為10分,避開所有障礙得6分;最短時間者獲4分,第二名2分,第三名1分,其他人不得分。

        (2)場景二:有6個障礙物,分別位于1/4線,1/2線,3/4線,每條線路上均有兩個障礙。該場景下,避開所有障礙得6分;最短時間者獲4分,第二名2分,第三名1分,其他人不得分。

        (3)場景三:地面上隨機(jī)存在6個障礙物。該場景下,最高分為15分,避開所有障礙得11分,避開5個障礙得8分,避開4個障礙得5分;最短時間者獲4分,第二名2分,

        第三名1分,其他人不得分。

        (4)場景四:有5個障礙物,2個位于1/4線,2個位于3/4線,1個在1/2線處沿線隨機(jī)移動。在該場景下,最高分為15分,避開所有障礙得11分,避開出移動障礙物外所有障礙物并成功到達(dá)終點得7分;最短時間者獲4分,第二名2分,第三名1分,其他人不得分。

        以上為本次比賽的規(guī)則,可見這個比賽的難度之大,要求之嚴(yán)格。

        嚴(yán)格的要求中也有規(guī)則可循。障礙物的位置是固定的,而非移動的。而且障礙物的坐標(biāo)是可以通過機(jī)器人的視覺獲取的。再一點,障礙物的形狀都是固定的,都是矩形的。因此避障算法只要解決兩個問題即可,第一就是要使機(jī)器人能夠獲取障礙物的位置坐標(biāo),第二就是使機(jī)器人能夠根據(jù)已知的環(huán)境,規(guī)劃出合理路徑。

        2 比賽機(jī)器人的準(zhǔn)備

        2.1 硬件的準(zhǔn)備

        在本次比賽中使用TurtleBot二代機(jī)器人作為硬件基礎(chǔ)。TurtleBot 2的硬件主要有Yujin Kobuki移動底座、Kinect視覺傳感器、雙核筆記本、2 200 mA·h電池和可裝卸的結(jié)構(gòu)模塊。TurtleBot 2使用目前最流行的ROS(Robot Operating System)作為操作系統(tǒng),能實現(xiàn)3D建圖導(dǎo)航、跟隨等功能。機(jī)器人大賽TurtleBot機(jī)器人如圖1所示。

        2.2 機(jī)器人中的物聯(lián)網(wǎng)感知和機(jī)器視覺

        TurtleBot機(jī)器人裝有雙目視覺三維攝像頭和超聲波測距模塊。

        攝像頭的作用是實現(xiàn)電腦與終端與機(jī)器人之間的物聯(lián)感知功能。攝像頭將拍攝的三維圖像傳送給數(shù)據(jù)處理電路,后者將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,將三維圖像分解為一個二維平面圖像和一組距離信號,方便計算機(jī)的應(yīng)用。計算機(jī)接收到機(jī)器視覺視覺獲取的數(shù)據(jù)之后,將數(shù)據(jù)帶入到算法之中,先判斷是否運(yùn)行避障算法,再使用獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃,執(zhí)行避障算法。算法執(zhí)行完畢后,將規(guī)劃好的路徑信息數(shù)據(jù)傳送給機(jī)器人,機(jī)器人獲取路徑后,按照規(guī)劃好的路徑行駛。行駛過程中,繼續(xù)通過機(jī)器視覺獲取數(shù)據(jù)。重復(fù)上述過程,即可完成機(jī)器人與電腦終端之間的信息交互。實現(xiàn)機(jī)器視覺的物聯(lián)感知功能,實現(xiàn)人工算法對機(jī)器人的控制。

        超聲波測距傳感器的作用是獲取機(jī)器人與障礙物之間的距離,并將距離數(shù)據(jù)傳送給電腦,與電腦中的通過三維圖像分解得來的距離信息進(jìn)行比較。一方面是保證距離信息的正確性,另一方面是在機(jī)器視覺測距功能發(fā)生故障時,代替視覺測距,提供準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)。

        所謂的機(jī)器視覺與物聯(lián)感知,就是將三維視覺雙目三維攝像頭和超聲波傳感器作為感知層;將電腦終端與機(jī)器人之間的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層;Gazebo虛擬控制系統(tǒng)和機(jī)器人的運(yùn)動模塊作為應(yīng)用層,搭建了一個嵌入式物聯(lián)網(wǎng)體系。

        嵌入式物聯(lián)網(wǎng)體系搭建完成之后,就可以實現(xiàn)電腦終端與機(jī)器人之間的信息交互,協(xié)同工作。

        2.3 軟件系統(tǒng)和策略設(shè)計

        TurtleBot的可以接受ROS系統(tǒng)的控制指令,也可以將機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài),如角速度,線速度等物理數(shù)值反饋給ROS系統(tǒng),可以說ROS系統(tǒng)是TurtleBot運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此軟件環(huán)境搭建的第一步是電腦上搭建適合TurtleBot運(yùn)行的ROS環(huán)境。第二步是在ROS 環(huán)境中搭建Gazebo虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。Gazebo是一款3D動態(tài)模擬器,能夠在復(fù)雜的室內(nèi)和室外環(huán)境中準(zhǔn)確有效地模擬機(jī)器人群。與游戲引擎提供高保真度的視覺模擬類似,Gazebo提供高保真度的物理模擬,其提供一整套傳感器模型,以及對用戶和程序非常友好的交互方式。

        首先,安裝軟件運(yùn)行環(huán)境,包括ROS系統(tǒng)和Gazebo系統(tǒng),具體步驟如下:

        (1)sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc)main"> /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

        (2)sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654

        (3)sudo apt-get update

        (4)sudo apt-get install ros-kinetic-desktop-full

        (5)sudo rosdep init

        (6)rosdep update

        (7)echo "source /opt/ros/kinetic/setup.bash">> ~/.bashrc

        (8)source ~/.bashrc

        (9)sudo apt-get install ros-kinetic-turtlebot-gazebo

        依次運(yùn)行如下代碼之后,系統(tǒng)會自動安裝一段時間,然后就可以運(yùn)行程序,運(yùn)行程序的同時還要調(diào)用大量文件。運(yùn)行步驟如下:

        exportLD_LIBRARY_PATH=~/ros_scripts/plugin:$LD_LIBRARY_PATHroslaunch turtlebot_gazebo turtlebot_world.launch world_file:=/home/username/ros_scripts/world/world1-1(world_file:=your world_file's path)

        這時Gazebo系統(tǒng)已經(jīng)可以啟動。接下來的任務(wù)是在Gazebo系統(tǒng)中搭建比賽規(guī)定的環(huán)境。因此設(shè)置如下文件,使電腦能夠成為連接機(jī)器人硬件與控制軟件的服務(wù)器。

        (1)how_to_run.py。該文件主要來寫參賽者想要如何控制小車的算法。

        (2)robot.py。該文件主要是描述一個機(jī)器人類,在此處指的是小車。它有轉(zhuǎn)向和前進(jìn)等各種功能,詳細(xì)信息可見代碼中的注釋。

        (3)robot_ser.py。機(jī)器人服務(wù)端,主要接受客戶端傳來的指令來與gazebo進(jìn)行交互。

        (4)robot_cli.py。機(jī)器人客戶端,主要與服務(wù)端進(jìn)行交

        互,從服務(wù)端獲取狀態(tài)等信息,也可以對服務(wù)端發(fā)送信息用以控制小車。

        (5)clock_ser.py。服務(wù)端時間類,主要是記錄比賽時間,與客戶端時間統(tǒng)一。

        (6)clock_cli.py??蛻舳藭r間類,主要是記錄比賽時間,與服務(wù)端時間統(tǒng)一。

        (7)judge.py。裁判系統(tǒng),主要記錄比賽時間,機(jī)器人狀態(tài)是否越界,是否成功完成比賽等。

        (8)world.world。生成場景信息的文件。

        其中how_to_run.py是路徑規(guī)劃文件,需要參賽者自己進(jìn)行修改,使TurtlrBot機(jī)器人能夠合理的運(yùn)行,在Gazebo系統(tǒng)生成的地圖上完成任務(wù)。world.world文件是生成地圖的文件,并且后面加上編號,就可以生成參賽者想要的地圖。

        3 路徑規(guī)劃的實現(xiàn)

        路徑規(guī)劃在具體實現(xiàn)時有多種算法可用,在本次比賽中采用計算量較小、實現(xiàn)比較容易的直角路線走法實現(xiàn),即無數(shù)個直角組成的路徑。機(jī)器人首先向正前方行駛,檢測到前方有障礙物靠近時,執(zhí)行避障算法。當(dāng)檢測到障礙物遠(yuǎn)離時,結(jié)束這條避障算法。當(dāng)再次檢測到前方有障礙物靠近時,再次執(zhí)行避障算法。

        在執(zhí)行避障算法的過程中,首先要利用機(jī)器人的機(jī)器視覺,獲取障礙物的三位圖像。然后將三維圖像以模擬信號的形式存儲下來,再將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后,將三維圖像轉(zhuǎn)化為二維平面圖像,用于判斷障礙物的形狀。再從三維圖像中獲取機(jī)器人與障礙物的距離,用于規(guī)劃整體的避障路徑。

        機(jī)器人在運(yùn)行直角走法的過程中,并非像弧線算法那樣一次性規(guī)劃好整個路徑,而是每走一步,規(guī)劃一步,即每遇到一次障礙物,就要先判斷轉(zhuǎn)向方向,再規(guī)劃避開這個局部障礙的路徑。直角路線算法如圖2所示。

        圖3所示為直角走法的運(yùn)行結(jié)果,機(jī)器人從起點出發(fā)之后,成功到達(dá)終點。紅線標(biāo)識的是機(jī)器人的行走路徑。

        直角走法的算法優(yōu)點是出錯率低,容錯率高。只要根據(jù)不同的地形,不同的障礙物形狀,一步一步地規(guī)劃路徑,一定能走到目標(biāo)地點。缺點是用時長,時間復(fù)雜度高。由于要逐步規(guī)劃路徑,因此機(jī)器人每走一段距離就要停頓一下,規(guī)劃下一步的路徑,耗時長。況且比賽規(guī)則是用時越短,得分越高,因此直角規(guī)劃算法雖然能保證完成路徑,但不能保證快速完成。

        4 結(jié) 語

        機(jī)器人在運(yùn)行直角走法的過程中,每走一步,規(guī)劃一步。直角走法適用于障礙物分散、數(shù)量多、體積小的避障環(huán)境,保證機(jī)器人能夠穩(wěn)定地越過障礙物,完成避障。實際環(huán)境中,障礙物會是不同形狀,不同顏色。這就需要在三個方面改進(jìn)機(jī)器人的避障策略:一是要增強(qiáng)機(jī)器視覺的識別能力,讓機(jī)器視覺能夠識別不同顏色、形狀復(fù)雜的障礙物;二是增加機(jī)器視覺的捕捉能力,能夠捕捉到移動障礙物的運(yùn)動規(guī)律、運(yùn)動狀態(tài),方便機(jī)器人進(jìn)行動態(tài)避障;三是增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理程序的魯棒性和自洽性,使其在獲取上述復(fù)雜數(shù)據(jù)后,依然能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并將獲取的數(shù)據(jù)帶入路徑規(guī)劃算法之中。后續(xù)的比賽中將會從這三個方面進(jìn)行改進(jìn)。

        注:本文通訊作者為解迎剛。

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