一種視覺導(dǎo)航機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
視覺導(dǎo)航機(jī)器人的整個(gè)系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：添加了無線通信模塊和無線攝像頭的能力風(fēng)暴機(jī)器人和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。這兩部分之間的通信由無線通信模塊完成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，機(jī)器人包括能力風(fēng)暴機(jī)器人、無線攝像頭和無線通信模塊三個(gè)部分。在機(jī)器人工作時(shí)，無線攝像頭將采集到的視頻信號傳送給無線視頻接收器，無線視頻接收器再通過視頻采集卡(Osprey210)將待處理的視頻信號傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過處理后，做出相應(yīng)的決策，并將決策信號通過無線通信模塊發(fā)送給機(jī)器人，這樣就建立了一個(gè)簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)。無線通信模塊由兩個(gè)完全相同的無線串口通信模塊組成，工作在全雙工狀態(tài)。在機(jī)器人中無線通信模塊與機(jī)器人的串口控制器連接，在計(jì)算機(jī)中無線通信模塊與計(jì)算機(jī)的COM口相連。

2 軟件流程
整個(gè)系統(tǒng)的軟件分為機(jī)器人接收到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)指令后的處理軟件和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)針對到機(jī)器人發(fā)來視頻信號進(jìn)行處理的視覺導(dǎo)航軟件。
機(jī)器人的軟件處理流程如圖2所示。機(jī)器人不停地掃描串口，一旦串口接收到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的指令信號后，機(jī)器人便根據(jù)指令做出響應(yīng)，整個(gè)處理過程比較簡單。

計(jì)算機(jī)的視覺導(dǎo)航軟件處理流程如圖3所示。機(jī)器人視覺系統(tǒng)的原始輸入圖像是經(jīng)圖像采集卡A／D變換之后得到的連續(xù)數(shù)字圖像。系統(tǒng)工作時(shí)，首先，圖像預(yù)處理模塊對原始輸入圖像進(jìn)行平滑濾波，去除噪音點(diǎn)，并進(jìn)行閾值分割，挑選出對機(jī)器人有用的目標(biāo)點(diǎn)(即引導(dǎo)線)；然后，路徑跟蹤模塊根據(jù)檢測到的路徑信息，做出策略分析，并對機(jī)器人發(fā)送相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令。

3 主要算法描述
3．1 圖像預(yù)處理
3．1．1 圖像的平滑處理
在圖像采集系統(tǒng)中實(shí)際獲得的圖像，會(huì)因?yàn)楦鞣N原因受到干擾和噪聲的污染而引起圖像質(zhì)量的下降，圖像平滑處理就是為了消除圖像中存在的噪聲而對圖像施加的一種處理。本系統(tǒng)中采用中值濾波技術(shù)對原始圖像和二值化后的圖像進(jìn)行濾波，這是一種非線性空間域?yàn)V波技術(shù)。這種技術(shù)不僅能有效地抑制圖像中的噪聲，而且能保持圖像中固有的輪廓邊界，不使其變模糊。對平面圖像進(jìn)行中值濾波時(shí)我們一般采用二維中值濾波器。它由下式定義： Yij=MedianXij=Median(Xn)(r,s)∈s
這里，Xij為坐標(biāo)(i，j)的待處理像素；S為平面窗口；而Yij為處理結(jié)果，即平面窗口中各像素值的中值。中值是指大小排序后，中間的數(shù)值。本系統(tǒng)中采用的是3X3的正方形窗口，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明選用該窗口濾波后可以較好地濾除噪音。

3．1．2 彩色圖像二值化
圖像二值化的目的是將圖像一分為二，即將圖像劃分為物體和背景兩個(gè)部分。本系統(tǒng)中原始輸入圖像為(320×240)像素的RGB24格式圖像，采用直接對每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行閾值分割的方法即可達(dá)到對圖像實(shí)現(xiàn)二值化的目的。由于HSL顏色模型中亮度L分量與圖像的顏色信息無關(guān)，而與顏色信息有關(guān)的色調(diào)H(表征顏色的種類)和飽和度S分量(表征顏色的深淺程度)對外界光照條件的變化敏感程度低。機(jī)器人在移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起光的亮度變化，RGB顏色模型對光的亮度魯棒性較差，所以在進(jìn)行圖像二值化時(shí)應(yīng)該先將RGB顏色模型轉(zhuǎn)換為具有較強(qiáng)光亮不變性的HSL顏色模型。RGB顏色空間變換到HSL顏色空間的變換公式如下：

選取色調(diào)H作為路徑識別時(shí)的主參數(shù)。同時(shí)，考慮到實(shí)際當(dāng)RGB值較小，即亮度L較小時(shí)，H值會(huì)趨向于不確定的情況，選取亮度L作為輔助識別參數(shù)。算法為：

其中，Hmin、Hmax為某種顏色色調(diào)分量的最小閾值和最大閾值；Lmin為亮度的最小閾值。
3．2 引導(dǎo)線檢測
掃描白線(即引導(dǎo)線)的策略是每隔五行掃描，當(dāng)每行的白色像素點(diǎn)超過35個(gè)，而滿足這個(gè)條件的行超過16行時(shí)，才認(rèn)為在機(jī)器人視野范圍存在白線。因?yàn)橹挥羞B續(xù)的白色區(qū)域是可以利用的，所以每隔五行進(jìn)行掃描白線是可行的。這樣做不僅可以節(jié)省計(jì)算機(jī)的處理時(shí)間，加快程序處理速度，提高機(jī)器人響應(yīng)的實(shí)時(shí)性；而且還可以濾除機(jī)器人視野范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的噪聲點(diǎn)。

引導(dǎo)線檢測的目的不僅僅是為了確定機(jī)器人視野范圍內(nèi)是否存在引導(dǎo)線，還需要確定引導(dǎo)線與距離機(jī)器人所在點(diǎn)的距離，以及引導(dǎo)線的角度信息。在本系統(tǒng)中，坐標(biāo)約定如圖4所示。其中灰色小點(diǎn)代表機(jī)器人，很顯然，機(jī)器人在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)應(yīng)該為(160，240)。L表示白線中線與直線Y=240的交點(diǎn)和機(jī)器人所處位置之間的距離。當(dāng)L>0時(shí)，上述交點(diǎn)處于機(jī)器人左方；L0時(shí)，上述交點(diǎn)處于機(jī)器人右方。系統(tǒng)中規(guī)定的白線中線的△＝△X／△Y，△值可以直接反映出白線角度信息。當(dāng)△>0時(shí)白線沿／方向；△0白線沿＼方向。由此可知，圖4中的白線中線的△應(yīng)該是大于0的。