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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)到機(jī)器人發(fā)來視頻信號(hào)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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)圖像施加的一種處理。本系統(tǒng)中采用中值濾波技術(shù)對(duì)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(duì)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(duì)每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行閾值分割的方法即可達(dá)到對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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。