基于单目视觉的轮式小车避障方法的研究

霍佳佳 柳钰 张宣妮 田青

摘 要：我国科技正在不断的迅速发展，机器人应用技术成了科学研究的新方向。机器人技术日新月异，从二十世纪六十年代第一代机器人的“示教-再现”技术到第二代机器人的传感技术的运用再到第三代智能机器人的问世，机器人技术与世界高端技术不断的进行融合，不断的进行提高，但是在机器人技术提高的同时也要注重机器人避障能力的提高。

关键词：轮式小车；视觉跟踪；避障方法；研究

随着社会的不断进步，智能化渐渐成为人们生活中必不可少的一项新技术，而智能化生活也是人们科学研究的热点。移动机器人在国家的经济和国防安全中都起着重要的作用，移动机器人最终的目的是要投入到实际生活中，而自主避障能力是移动机器人从构想投入实际运用的关键，因此对移动机器人避障方法的研究是科技研究的重点，如何让移动机器人精准的进行道路避障一直是困扰科技人员的难题，这也是当下科技研究者急需要解决的问题。

一、整体考虑轮式小车的设计方案

在进行轮式小车避障研究中需要把轮式小车设计方案的选择放在首要位置，任何一项新型技术的研究必须要选择正确有效的设计方案，因为方案设计的优劣会直接影响后期研究的整体过程。对轮式小车避障方法优中择优的选择，能够让后期的研究沿着正确的方向进行，让智能化轮式小车更快的进入人们的生活中，更好的为人们服务。例如在轮式小车避障方法的两个方案中，方案一：设计方案是使用三个支撑点来使小车运行得到稳定，但是只有一个轮子是用来控制前进和转向的，如果轮式小车想要沿直线行驶，就必须要将小车的前轮定位在中间位置并且在移动的时候按照规定的速度进行移动；如果想要沿曲线移动，就需要事先进行曲线移动角度的计算，然后将轮式小车的前轮定位在事先计算好的角度上；方案二：第二种方案与第一种方案不同的是采用了差速驱动，在小车的两侧安装了两个电机，这样就可以分别独立的驱动一个轮子，而且驱动轮不能安装在小车的中间部位，这样会使小车失去平衡性。

两种方案进行对比，会优先选择方案二，因为方案一的单轮驱动是没有办法进行原地转向的，差速驱动比单轮驱动在实际实现中要简单，因为在进行设计的时候是不需要进行从动轮中心轴旋转的设计考虑的。

二、轮式小车避障方法的研究

（一）传统小车避障方法的优劣分析

1.人工势场法

轮式小车避障方法的研究必然离不开对避障路径的规划，传统的人工势场法是最简单的避障方法，采用虚拟力的方法，在轮式小车在模拟环境中进行行走的时候，虚拟出障碍物给小车周身所带来排斥力和小车对目标地点的吸引力，以此来确定轮式小车避障路线，虽然人工势场法简单易行，但是它无法解决轮式小车在行驶的时候与障碍物、目标点的斥力的大小和方向随着距离的改变而改变的问题，同时也因为人工势场法所选取的区域极小，无法确定小车行驶的最短路径，这样必然会给小车避障带来一定的影响。为了能够适应轮式小车的避障路径标准，研究者在人工势场法的基础上进行了改进，采用了新的一种方法—避障最优控制方法，这种方法的优势在于能够在进行避开障碍物的同时完成原先预定的工作目标，但是这种方法对路径的起点的要求十分严格。

2.栅格法

栅格法是运用四叉树或者八叉树来表示轮式小车的工作环境的，能够将整个工作环境划分为有二值信息的栅格，然后再通过算法进行避障路径的确定。栅格法中关键之处就在于栅格的大小选择上，栅格的大小是影响环境信息存储量和路径规划时间的直接因素。当栅格选取的越大，周围环境的分辨率就会越小，在进行小车避障路径的规划时因为环境存储信息量小，所以规划时间就会较短；如果栅格选取的越小，则反之，但是在避障路径规划时间上就会比小范围栅栏所用的时间长。

3.位姿空间法

在进行轮式小车避障道路规划的时候如果将轮式小车当做一个质点进行研究则会方便很多，而位姿空间法就是将轮式小车视作质点的常用避障算法。虽然位姿空间法能够大大简化轮式小车的避障路径的选择，但是位姿空间法的缺点也是显而易见的，由于将轮式小车视作一个质点，就会忽略轮式小车的体型和构造，在进行实验的时候障碍物可能会碰到轮式小车的头顶或者周身的触角等。

（二）区域分割法

传统的轮式小车避障方法虽然有很多优点但是同时也存在着缺点，在新时代技术的不断发展下，传统的避障算法渐渐被摒弃或者被不断的改进，在不断的研究改进中，新的避障算法應时而生。区域分割法，根据轮式小车运行的轨迹特点进行特定的区域划分，每个区域对应一个轨迹，保证在规定区域内，轮式小车在进行无障碍物阻挡的情况下能够进行直行、左转和右转，当轮式小车在直行前进的时候遇到障碍物能够选择左转或者右转的方式来躲避障碍物。视觉效应能够将本是三维的障碍物抽象变为二维平面，小车在进行前进的时候，能够运用传感器系统测出二维平面中的障碍物与轮式小车的实际距离，然后小车能够及时进行方向改变，从而避开障碍物。

（三）避障控制系统软件的提升

无论轮式小车的避障路径设计的多么完美最终都需要避障控制系统软件进行小车运行的控制，以往的避障控制系统软件已经满足不了新型轮式小车的避障方法，用新的技术手段进行新的避障控制系统软件的提升，能够让小车在自主行驶的过程中对图像、信息进行采集和处理，进行自主避障。

三、结语

新時代在不断的发展中，轮式小车渐渐进入社会的各项行业中，无论是在农业、军事还是工业等领域都占据着重要的地位，它们在其中发挥的作用不容忽视。对轮式小车的避障方法的研究越来越重要，也是科技研究者一直关注的研究重点。虽然我国的科技在飞速的发展，但是轮式小车的避障方法还有待继续提高，在科技研究者不断的研究和改善下，我国的轮式小车将会在各个行业中发挥其特有的作用和价值。

参考文献：

[1] 汪波.智能小车避障与路径优化研究[D].重庆理工大学，2015.

[2] 邓星宇.基于单目视觉的轮式小车避障方法研究[D].扬州大学，2014.

[3] 兰羽，万可顺.基于SPCE061A单片机的小车避障系统设计[J].国外电子测量技术，2014，（02）：58-60+77.

项目名称：咸阳师范学院国家级大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：2016011）

作者简介：霍佳佳（1995-），男，陕西榆林人，就读于咸阳师范学院电气工程及其自动化专业三年级。