網(wǎng)絡(luò)的嵌入式機器人視覺系統(tǒng)分析

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】網(wǎng)絡(luò)的嵌入式機器人視覺系統(tǒng)分析1引言

隨著科技進(jìn)步與社會發(fā)展，科研機構(gòu)日漸重視具有視覺，聽覺，甚至類人情感的機器人研究，同時，為了滿足現(xiàn)代家庭服務(wù)的需要，催生了面向個人的服務(wù)機器人的誕生。人類對于這種高智能機器的渴望和技術(shù)的進(jìn)步將使得市場逐步擴大。20**年，面向個人和移動機器人市場的產(chǎn)值可能到達(dá)170億美元，它將超過工業(yè)機器人市場的產(chǎn)值。面向個人的機器人吸納了的通信、控制、傳感技術(shù)，采用了嵌入式系統(tǒng)為硬件根底，大幅提升了機器人的計算性能，同時又縮小了體積降低了功耗，將進(jìn)一步促進(jìn)個人機器人市場的發(fā)展。1988年“普適計算之父”MarkWeiser提出普適計算的概念：一種無處不在的計算能力，它將融入我們的生活，幫助我們輕松完成日常工作。普適計算概念與嵌入式技術(shù)在機器人上的結(jié)合，將能夠使用戶更方便地訪問定制的信息和得到個性化的服務(wù)。

2相關(guān)研究

20**年4月23日，三菱重工業(yè)的家用人形機器人“wakamaru”在美國亮相。它采用了MontaVistaSoftware公司的“MontaVistaLinux3.0ProfessionalEdition”嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，頭部安裝了攝像機，能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)將圖像發(fā)送出去。幾乎同時，20**年3月14日富士通公司發(fā)售了MARON-1型家用機器人，該機器人同樣具備頭部攝像機，能夠?qū)⒄掌l(fā)送到用戶手機上，并且還能接收用戶通過手機網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的遙控操作指令。類似的還有索尼推出的機器狗AIBO，同樣具有圖像采集，各種傳感器，甚至具備接收語音指令的功能，等等。不難發(fā)現(xiàn)，家用機器人的研發(fā)者不約而同的為機器人增加了視覺感應(yīng)，溫度感應(yīng)，紅外測距，模式識別等功能，使得機器人自身具有更加強大的計算與處理能力。由此可見，發(fā)達(dá)國家在家庭用機器人領(lǐng)域已經(jīng)投入了大量的資本，也取得了不小的成果。

目前，許多國內(nèi)外的科研機構(gòu)紛紛致力于機器視覺研究，希望能夠開發(fā)出一個具有自主的識別能力，并對各種情況能夠做出判斷，已經(jīng)取得了一些成果。但是主要集中在人臉識別，指紋識別，步態(tài)識別等領(lǐng)域。由于實際環(huán)境比較復(fù)雜，外界干擾較多，并且系統(tǒng)魯棒性較差，導(dǎo)致識別率不高。因此本文討論的機器人系統(tǒng)采用嵌入式平臺設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸?shù)臋C器視覺方案，機器人將視頻采集來的信號，開展MPEG-4編碼，并在其上搭建了一個小型的視頻服務(wù)器。授權(quán)用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問機器人實時采集的視頻信號。本機器人功能上主要作為一個家庭保安，同時通過增加相應(yīng)的傳感器能夠擴大一些家庭服務(wù)功能，如照看小孩和老人，病人等。

3研究方法

本文主要為一款面向個人的家庭服務(wù)機器人設(shè)計視覺系統(tǒng)。該機器人應(yīng)用于家庭的安全監(jiān)控及服務(wù)，要求其視覺系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉降囊曨l通過INTERNET發(fā)布，同時用戶能夠通過遠(yuǎn)程訪問開展PTZ控制（Pan/Tilt/Zoom，即全方位(上下、左右)移動及鏡頭變倍、變焦控制），另外，開啟自動預(yù)警功能，對與移動物體檢測后能夠發(fā)出報警信號。

圖1視覺系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)設(shè)計之初，指定了采用開放性的軟件平臺，需要有良好的穩(wěn)定性，實時性，同時容易擴大新的硬件。因此采用Linux作為操作系統(tǒng)，版本號為2.4.13，系統(tǒng)選擇了ext3文件系統(tǒng)，添加了VideoforLinux模塊。機器人頭部的攝像頭負(fù)責(zé)采集視頻信號，攝像頭為267，206像素，采用1/4inch彩色CCD感光器，支持10倍光學(xué)變焦。機器人視覺系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。其中，視頻信號的采集和用戶遠(yuǎn)程控制信號處理是主要的工作。

3.1視頻信號采集

分為兩個部分，首先驅(qū)動USB攝像頭，然后通過Linux下的VideoforLinux視頻采集接口調(diào)用設(shè)備，更改設(shè)備設(shè)置，對視頻開展內(nèi)存映射，處理采集到的視頻。

3.2信號壓縮處理

本視覺系統(tǒng)設(shè)計采用了MPEG－4編碼，在保證視頻質(zhì)量的前提下以盡量節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，攝像頭采集的信號經(jīng)過MPEG－4壓縮編碼后，形成視頻流文件，當(dāng)用戶訪問時，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將視頻流傳送到用戶瀏覽器，在用戶端解碼觀看。MPEG－4編碼格式在6500kbps（千位/速率）下能夠到達(dá)較好的視頻質(zhì)量，分辨率為352*288，到達(dá)廣播級標(biāo)準(zhǔn)。

3.3網(wǎng)絡(luò)傳輸控制

目前，較方便的交互方式為B/S方式的，用戶可以在任何包含WEB瀏覽器的設(shè)備上瀏覽是設(shè)計的目標(biāo)。因此，系統(tǒng)采用了控件的方式，將控件通過HTTP協(xié)議傳送到用戶端，在用戶系統(tǒng)上運行。在機器人平臺上搭建了一個小的WEB服務(wù)器，服務(wù)器端*來自用戶的請求，開展身份驗證，授權(quán)用戶瀏覽器一個ActiveX控件，該腳本負(fù)責(zé)接收服務(wù)器端發(fā)出的視頻流，開展組裝和排序后，在用戶端播放。同時控件負(fù)責(zé)將用戶的控制操作轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的格式發(fā)送給服務(wù)器端。

3.4控制信號處理

頭部水平旋轉(zhuǎn)角度為左右135°，上下45°。通過串口由舵機驅(qū)動，該部分為機器人控制部分課題?？刂菩盘柦?jīng)過編碼以HTTP協(xié)議POST格式向服務(wù)器端發(fā)出請求?？蛻舳送ㄟ^為http請求添加控制數(shù)據(jù)，比方PTZ_MOVE_DOWN，服務(wù)器端承受請求后將指令解釋，通過串口向舵機發(fā)出控制信號，攝像頭向下偏移定量的角度，終視頻信號反映出相應(yīng)的變化。

3.5預(yù)警信號處理

移動檢測模塊以預(yù)置的閥值為根底，對于檢測畫面中出現(xiàn)移動物體，其在畫面中所占比例超出該預(yù)制比率后，發(fā)出預(yù)警信號，并跟蹤物體移動。如畫面大小為542*493，共有267，206像素，閥值為20％，則:N＝移動物體像素值/畫面總像素值

當(dāng)移動物體所占像素超過20％，即N≥53，441個像素時，即發(fā)出警報信號。

4實驗

本文所討論的機器人可以由用戶通過遠(yuǎn)程控制。用戶打開WEB瀏覽器，輸入訪問地址。將提示用戶登錄，授權(quán)用戶登錄后進(jìn)入主頁面，如圖2所示。

圖2WEB客戶端訪問主界面

主頁面包含四維方向控制按鈕，zoom按鈕及快照按鈕，另外還有自動巡航按鈕。用戶可以通過按鈕控制做上下左右運動，圖3（a）顯示了選擇向上后的監(jiān)控畫面，攝像頭會向上做單步運動，圖3（b）、3（c）、3（d）用戶分別選擇了右、左、下。因此在機械設(shè)計的范圍內(nèi)，攝像頭可以按照用戶命令做左右135°，上下45°的角度調(diào)整。

圖3（a）向上移動圖3（b）向右移動圖3（c）向左移動圖3（d）向下移動

Snapshot快照功能，將當(dāng)前通道的視頻流的一幀圖像保存至本地。

移動檢測：物體向右移動后，將跟蹤物體移動，并以警報色線框提示，如圖4所示。

圖4移動偵測

5結(jié)論

隨社會發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，機器人制造也吸收了更多的先進(jìn)信息技術(shù)，勢必推動機器人市場如火如荼的發(fā)展。如今在發(fā)達(dá)國家，家用機器人市場已經(jīng)日漸成熟，因為社會環(huán)境的變遷，人們的生活方式逐漸發(fā)生變化，加強社會福利和百姓生活保障等的需要，都推動了家用機器人的市場化。本文所討論的機器人視覺系統(tǒng)，不僅能夠做到家庭保安，