李炫志，黃旭銘，姜科，鄭慎鵬，李晨韻，陳光樂，周晉怡

　　（中國計量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 求是電子科技協(xié)會，浙江 杭州 310000）

　　摘要：掃地機(jī)器人作為智能家居的一個分支，在當(dāng)下火熱一時。一個完整的機(jī)器人定位以及路徑規(guī)劃系統(tǒng)是必不可少的。此文針對機(jī)器人路徑規(guī)劃進(jìn)行了研究，光流定位是由機(jī)器視覺延伸出的一種技術(shù)，通過攝像頭識別進(jìn)行定位，能反應(yīng)機(jī)器人實時的二維坐標(biāo)?；诠饬鞫ㄎ缓蜏y距模塊，可以實現(xiàn)對室內(nèi)大致地形的判別，從而規(guī)劃出一條最優(yōu)的清掃路線。實驗證明：該規(guī)劃方案能基本覆蓋室內(nèi)的清掃區(qū)域。

　　關(guān)鍵詞：掃地機(jī)器人；光流定位；路徑規(guī)劃

　　中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.018

　　引用格式：李炫志，黃旭銘，姜科，等.基于光流定位的自動路徑規(guī)劃清掃機(jī)器人［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（5）：57-59.

0引言

　　目前市場上掃地機(jī)器人的路徑規(guī)劃都是由超聲波、紅外等傳感器測量得到當(dāng)前的位置再結(jié)合算法規(guī)劃出理想路徑。由于傳感器精度等問題，無法定位出精確的位置,導(dǎo)致機(jī)器人出現(xiàn)運(yùn)動軌跡混亂等問題。

　　基于光流傳感器的機(jī)器人可以解決傳統(tǒng)掃地機(jī)器人運(yùn)動軌跡混亂的問題。基于光流傳感器定位技術(shù)的路徑規(guī)劃式尋路系統(tǒng)清掃覆蓋率大，工作效率高，采用了類似光電鼠標(biāo)定位與移動位移測量方式，結(jié)合激光測距傳感器對當(dāng)前掃地機(jī)器人的位置及運(yùn)動方向進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測得到的位置與位移方向、速度等信息，搭載攝像頭、電子羅盤、超聲波模塊、激光測距儀這幾個傳感器來實時監(jiān)測機(jī)器人的工作環(huán)境的變化。核心處理器對各個傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此來實現(xiàn)基本無碰撞的掃地過程，并對掃地機(jī)器人的運(yùn)動路徑進(jìn)行規(guī)劃，實現(xiàn)掃地機(jī)器人對應(yīng)用環(huán)境的全方位清潔。

1光流

　　光流是一種簡單實用的圖像運(yùn)動的表達(dá)方式，通常定義為一個圖像序列中的圖像亮度模式的表觀運(yùn)動，即空間物體表面上的點(diǎn)的運(yùn)動速度在視覺傳感器的成像平面上的表達(dá)。

　　1.1光流法檢測運(yùn)動物體的基本原理

　　給圖像中的每一個像素點(diǎn)賦予一個速度矢量，這就形成了一個圖像運(yùn)動場，在運(yùn)動的一個特定時刻，圖像上的點(diǎn)與三維物體上的點(diǎn)一一對應(yīng)，這種對應(yīng)關(guān)系可由投影關(guān)系得到，根據(jù)各個像素點(diǎn)的速度矢量特征，可以對圖像進(jìn)行動態(tài)分析。如果圖像中沒有運(yùn)動物體，則光流矢量在整個圖像區(qū)域是連續(xù)變化的。當(dāng)圖像中有運(yùn)動物體時，目標(biāo)和圖像背景存在相對運(yùn)動，運(yùn)動物體所形成的速度矢量必然與鄰域背景速度矢量不同，從而檢測出運(yùn)動物體及位置［1］。

　　1.2光流傳感器

　　光流傳感器（如圖1所示）自帶圖像處理，原理是光源發(fā)光被地面反射回接收器，因為地板表面的形貌是不同的，所以接收器收到的時間間隔很短的兩幀圖像是有差別的，處理器通過算法由前后幾幀圖像的差別解算出機(jī)器人移動的距離、方向和速度。

　　搭載了光流傳感器的掃地機(jī)器人與傳統(tǒng)的碰撞式的掃地機(jī)器人最大的區(qū)別就在于其定位方式不同。傳統(tǒng)的掃地機(jī)器人的定位能力僅依靠超聲波或者紅外測距模塊來實現(xiàn)一些粗糙的定位。而搭載了光流傳感器的掃地機(jī)器人的工作原理與生活中常用的光電鼠標(biāo)類似。如圖2所示，機(jī)器人底部會有一個發(fā)光二極管，通過該發(fā)光二極管照亮機(jī)器人的底部表面。然后通過機(jī)器人底部表面反射回一部分光線，經(jīng)過一組光學(xué)透鏡，傳輸?shù)揭粋€光感應(yīng)器件（微成像器）內(nèi)成像。這樣，當(dāng)機(jī)器人移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。再利用機(jī)器人內(nèi)的一塊DSP芯片對每張圖像進(jìn)行處理，以判斷機(jī)器人移動的方向以及位移，從而得到機(jī)器人x、y方向的移動數(shù)據(jù)。最后通過SPI傳給MCU。MCU對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來獲取機(jī)器人的運(yùn)動路徑［2］。

2路徑規(guī)劃算法

　　2.1柵格地圖法概述

　　Elfes、Moravec 等研究人員在1985年共同設(shè)計出了柵格地圖法。所謂的柵格地圖法就是把一個環(huán)境區(qū)域等分為空間一樣的小方格，然后依據(jù)每個小方格中是否有障礙物將所研究的環(huán)境分為障礙區(qū)域和非障礙區(qū)域，這樣就建立出了環(huán)境地圖。因為每個方格中是否存在障礙物都是直接與研究環(huán)境中的區(qū)域一一對應(yīng)的，因此根據(jù)清潔機(jī)器人所配備的傳感器系統(tǒng)探測到的信息即可輕易獲取環(huán)境中每個方格是否為障礙物區(qū)域。傳感器系統(tǒng)將這些信息反饋到清潔機(jī)器人控制中樞，控制中樞再根據(jù)接收到的信息及時調(diào)節(jié)機(jī)器人運(yùn)行方向，從而達(dá)到避障效果。

　　2.2基于柵格法的清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃方案

　　使用柵格法構(gòu)建環(huán)境地圖就是將環(huán)境區(qū)域等分為若干個小矩形單元格，將每個小單元格作3種不同類別的標(biāo)記，主要分為有障礙和無障礙以及已清掃3類單元格區(qū)域。這樣，環(huán)境區(qū)域就被一系列的矩陣柵格表示出來了，環(huán)境地圖構(gòu)建成形，而整個環(huán)境地圖也被一個個的小單元格離散化，依據(jù)環(huán)境柵格地圖與實際環(huán)境區(qū)域之間的映射關(guān)系結(jié)合環(huán)境地圖的離散化實現(xiàn)了實際環(huán)境區(qū)域的離散化。在環(huán)境柵格地圖中，其中一部分或者全部被障礙所占用的單元格都稱為障礙柵格，完完全全沒有被障礙物占據(jù)的單元格稱為無障礙柵格，而無障礙柵格又可以依據(jù)清潔機(jī)器人是否運(yùn)行過分為待清潔柵格和已覆蓋柵格。

　　假設(shè)整個環(huán)境區(qū)域的長、寬分別是L、D，而方形小單元格邊長是A，那么柵格數(shù)目是L×D/A2,環(huán)境區(qū)域E可以用下面的集合來表示： E={Gij|Gij=0,1,2;i,j為正整數(shù)} 其中Gij代表柵格，i代表方形單元格的行數(shù)，j代表方格的列數(shù)，Gij=2是指該位置柵格為障礙柵格，Gij=1是指該位置柵格為已覆蓋柵格，Gij=0 是指該位置柵格是待清潔柵格。柵格地圖法極其便于建立以及維護(hù)，且構(gòu)建的環(huán)境地圖中的每一個柵格都與實際環(huán)境區(qū)域相對應(yīng)［3］。

　　2.3光流定位在柵格法中的應(yīng)用

　　光流定位能實時反應(yīng)物體的運(yùn)動狀態(tài)，得出物體的二維位移。如圖3所示，假定一個柵格的正方形邊長為a（a>掃地機(jī)器人的直徑b），將室內(nèi)劃分成一個個的柵格。

　　那么可以以掃地機(jī)器人的充電位置所在的墻角為起點(diǎn)的第一個柵格G00，可以知道G00為無障礙柵格。機(jī)器人先檢測這個墻角四周的環(huán)境，接著以充電處為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，設(shè)定二維平面運(yùn)動的正方向，再確定初始運(yùn)動方向為x軸正方向。機(jī)器人沿x軸方向探索，記錄室內(nèi)x軸所占的柵格數(shù)，不足一個柵格也記一個，在圖3的路線為G00→G50，G50為不完整柵格。碰壁之后，機(jī)器人會向y軸上一個柵格，接著沿x軸負(fù)方向運(yùn)動，整個探索過程是地毯式的搜索。遇到障礙物時，機(jī)器人會在原先地毯式搜索的基礎(chǔ)上繞行，在圖3的路線為G50→G51→G50→G40→G41→G40→G30→G31。機(jī)器人會在不碰到障礙的前提下把室內(nèi)的環(huán)境盡可能的探索，建立一個關(guān)于室內(nèi)柵格的數(shù)組，記錄室內(nèi)的地形。機(jī)器人在后面的清掃中可以實時修改這個數(shù)組的數(shù)據(jù)，規(guī)劃出合理的清掃路線。

　　對于柵格大小，理論上太大太小都有弊端，所以柵格正方形的邊長應(yīng)略大于機(jī)器人的直徑，以方便算法的運(yùn)行，也盡可能減小盲區(qū)。在遇到障礙時盡量靠邊走，在不干擾原先運(yùn)行軌跡的前提下，盡可能減小清掃盲區(qū)。

　　2.4機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)

　　系統(tǒng)框圖如圖4所示，光流傳感器安裝在機(jī)器人的底部，獲得的運(yùn)動數(shù)據(jù)可以通過SPI傳給MCU。同時，激光測距傳感器實時全方位地檢測工作的周圍環(huán)境，一旦發(fā)現(xiàn)障礙物的距離低于預(yù)設(shè)值，就發(fā)送信號給MCU，MCU立即改變左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)避障。

　　3結(jié)論

　　實踐證明，該方案構(gòu)成的系統(tǒng)功能基本得到了實現(xiàn)，初步成型如圖5所示，光流傳感器位于機(jī)器人底部。

　　經(jīng)過實際測試，機(jī)器人在偏差允許的范圍內(nèi)基本完成了算法規(guī)劃的路徑，在LCD上打點(diǎn)顯示如圖6所示。

　　參考文獻(xiàn)

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