基于光流法的移动机器人避障平衡策略的改进

近年来，移动机器人避障问题的研究备受关注，因为在很多领域都需要用到无人操控的智能车[1]，它们在危险环境或狭小环境下作业。这就要求智能车可以自主躲避障碍物。光流法是侦测障碍物的一种重要方法，通常光流法是与平衡策略[2]相结合从而实现避障的。但是，通过实验发现，平衡策略有其欠缺的地方。

平衡策略的基本原理是将移动机器人搭载的摄像头采集到的图像序列[3]中的每一帧均分成左右视场[4]并分别计算光流，存在障碍物的一侧的光流值会大于另一侧，因此在得到左右视场光流值之后由电脑对智能车发出指令，控制其向光流值较小的一侧移动，从而实现避障。图一所为为当移动机器人正前方存在障碍物时(图1a)，计算得到的左右视场光流值近似相等，此时智能车会出现左右震荡现象(图1b)，继而向前行使，无法成功避开障碍物(图1c)。

  

图1 移动机器人正前方存在障碍物

针对上述情况，该项研究对平衡策略进行改进，将避障策略分为左右视场光流值相等和不等2类，不等时按照经典的避障策略构建避障方案，相等时加入一个验证过程，以确定移动机器人前方是否存在障碍物。

1 光流计算过程

采用最优估计点匹配法[5]计算光流值，此方法是在第1帧图像中选取一个特征点[6]，在第2帧图像中找到该点的对应点，通过该点前后位置和灰度的变化计算光流，它计算速度快，且相对误差较小，具体过程如下：

任取摄像头采集到的连续2帧图像A(x,y)和B(x,y),对于A(x,y)上的点x=(x,y)T,在B(x,y)上对应的点为(x',y')T=(x+vx,y+vy)T,在点x的邻域ωx×ωy内,灰度差平方和[7] ε(v)最小。

It(x,y)≈A(x,y)-B(x,y)

 

(1)

仿真中A相励磁涌流第1个波峰峰值为231 A，实测中A相励磁涌流第1个波峰峰值为218 A，仿真相对实测误差仅为6%。此外，两者波形变化趋势保持高度一致，充分证明了基于电压积分法的剩磁评估方法和PSCAD变压器饱和模型的可用性，以及所提剩磁施加方法的正确性，为变压器合闸励磁涌流评估以及主变压器消磁效果评价提供了一种手段。

从图3a可以看出，运行期间矿化床对于COD、氨氮、总氮的去除效果呈下降趋势，各污染物浓度有明显上升趋势，推测由于矿化床靠微生物和吸附作用，受外界影响变化大，且易堵塞孔隙，极大影响矿化床的处理效果，这也是目前矿化床在实际工程运用中较难解决的问题。出水的COD、氨氮和总氮并没有维持在达标水平，需增加深度处理工段保证出水达标排放。

将B(x+vx,y+vy)在点v=(0,0)T一阶泰勒展开并代入(1)中得

 

(2)

大学生三观主要是指人生观、价值观以及世界观，在大学阶段大学生三观还未完全形成，对大学生进行思想政治教育主要目的是帮助大学生树立正确三观，而中国传统文化中涵盖的内容对大学生树立正确三观有积极影响。因此，在高校思想政治教育中融入中国传统文化有利于大学生树立三观。但目前我国仅有少部分高校将传统文化融入思想政治教育中，导致我国大部分大学生三观明显出现偏差，不利于其未来发展。

回家的一路，阿里都在车上打瞌睡。他起得很早，于是困了。阿里在梦中不仅见到了母亲，并且还得到许多好吃的东西。于是他脸上浮出笑容。车晃动着，阿里睡着的头随着汽车颠簸的节奏一甩一甩。阿东便伸手将他的头靠在自己肩头。阿里立即以一种惬意的方式枕着阿东，他连醒都没醒。

(3)

令其中Ix和Iy为水平方向和竖直方向上的图像梯度，根据图像中该点在ωx×ωy邻域内的信息可以求得。

将微分算子用差分近似可得

MMP-13又称胶原酶-13，主要由软骨细胞分泌，是已知基质金属蛋白酶（MMPs）家族中最有效的 II型胶原降解酶［11］。Régis［12］的研究表明 γ-分泌酶抑制剂DAPT抑制Notch信号通路，可强烈抑制MMP-13的合成，防止II型胶原的酶解，而对II型胶原mRNA的合成没有影响。并且证明了MMP-13的合成依赖于Notch通路的激活。抑制Notch通路可能成为抑制MMPs，从而保护II型胶原防治OA的新手段。

 

 

代入(2)中并化简得

 

(4)

当G不可逆时，设vopt=0，就能通过此方法找到匹配点从而计算出光流值。

 

(5)

令其为0，当G可逆时有vopt=G-1b。满足上述条件的vopt即为灰度平方差和最小的平移向量。

令则(2)可表示成

2 改进的平衡策略

在避障问题中，将每一帧图像均分解为左右2个视场，对左视场单独应用基于最优估计的点匹配法寻找特征点并计算左侧光流。根据坐标选取右视场对称位置的点为右视场的特征点，计算2帧图像右视场特征点的光流和(灰度变化之和)，从而计算出右视场的光流值，根据平衡策略即可制定避障方案。

机器人运动时，障碍物和背景与机器人之间均存在相对运动，且与机器人之间距离不同，因此，障碍物和背景的相对速度矢量大小也不相同。障碍物距离摄像头较近，所形成的速度矢量大小较大，即光流值较大，该特征可以用来界定障碍物。常规的平衡策略直接比较左右两侧光流矢量的模的和，对于基于角点的光流算法[8]，物体表面特性会影响到角点的求解，对光流矢量的模之和影响较大。改成计算图像左右两侧平均光流矢量的模之差来判断障碍物和机器人的相对位置，计算方法为：

坡上有豆腐坊，游客去切一块纯手工循古法打的老豆腐，欲煎一盘两面焦黄的小葱豆腐款待同伴、犒劳自己，不期却把浸豆、磨粉、滤浆、点卤全过程参观了，顺手舀一瓢嫩滑香甜的豆腐脑品尝了，还可以看到一些稀罕器皿。

 

(6)

其中，F为光流平均矢量模，矢量WL和矢量WR分别代表左右两侧光流；为光流矢量的模的和；n为角点数。当FL-FR<0时，可认为障碍物在右侧；当FL-FR>0时，可认为障碍物在左侧[9]。

首先利用最优估计点匹配法计算出中央视场的实际光流矢量的模之和并找到左视场与中央视场相对应位置的特征点，计算出左视场的实际光流矢量的模之和下面只需计算出左视场的理论光流矢量的模之和并求出它与的差即可。

上述为常规平衡策略，其结论认为当FL-FR=0时不存在障碍物，图2所示为当移动机器人搭载的摄像头视场中央存在障碍物且障碍物左右为轴对称时(简称情况a)(图2a)，或是当左右视场均存在完全一样的障碍物且障碍物的位置对称时(简称情况b)(图2b)，仍然能够得到FL-FR=0的结论，此时就会出现避障失败的问题。为解决这一问题，将对常规平衡策略加以改进，在光流结算结果为FL-FR=0时加入一个验证过程，此过程将重新提取之前计算使用过的两帧图像，这两帧图像分为左中右3个视场，此时左视场和右视场光流值相等，因此只需对左视场进行研究即可。

其中A(x,y)-B(x,y)可以看作是(x,y)T对时间求导，即

如果没有障碍物存在且光线为自然光的情况下，光流值的变化是平滑的[10]，假设中央视场某个特征点的光流值为W1，在其水平相距±n个单位像素的位置等距取2列点并分别计算出光流值为W2+、W3+、……、Wn+1+和W2-、W3-、……、Wn+1-，由于任何光滑曲线均可以拟合成关于x函数f(x)=a0+a1x+a2x2+…+a2nx2n的形式。

将光流值代入后求得f(x)的表达式，得到2n+1元一次方程组，其系数矩阵为2n+1阶范德蒙矩阵，此矩阵必可逆，因此方程组有唯一解。解出a0、a1、a2、a3、……、a2n，从而得出f(x)的表达式，将左视场对应位置特征点的坐标代入表达式即可求出该点光流值的理论值

当时，视场中央有障碍物。

其中vx和vy分别为特征点在两帧图像中的水平和竖直位移。

当时，视场两侧有障碍物。

当时，不存在障碍物。

  

图2 移动机器人视场中央或两侧存在障碍物

3 实验结果与分析

实验利用搭载摄像头的移动机器人进行，摄像头与地面的夹角保持不变，以保证采集到的图像可以用于计算。在机器人行进路线上摆放障碍物，通过摄像头采集图像序列并传送给计算机，计算机将每帧图像分割成左右2个部分，若左右视场光流值不等，则按照平衡策略进行避障，若左右视场光流值相等，则引入验证环节，按照改进的平衡策略进行避障。匹配法中邻域选取为5×5，即ωx=ωy=5，函数f(x)中n取1。

按照图2中的2个场景设计实验1和实验2，图3所示为移动机器人视场单侧存在障碍物的情况，根据图3中的2种情况设计实验3和实验4，使得实验更加全面严谨。对传统的平衡策略和改进的平衡策略避障结果进行比较。实验结果如表1所示。

包容性：中原文化具有兼容众善、合而成体的特点。中原文化通过经济、战争、宗教、人口迁徙等众多方式，实现了物质文化、制度文化和思想观念的全面融合与不断升华。郑州大河村遗址中出土的一些富有山东大汶口文化特征的陶器，说明中原文化在那时就开始吸收周边文化成果，熔铸到自己的文化之中。胡服、胡乐、胡舞、胡食在汉唐间传入中原，也都被吸收到中原文化之中。

  

图3 移动机器人视场单侧存在障碍物

 

表1 2种平衡策略的避障结果

  

避障方案实验1实验2实验3实验4平衡策略避障失败避障失败避障成功避障成功改进平衡策略避障成功避障成功避障成功避障成功

从表1可以看出，改进后的平衡策略能有效解决原有平衡策略所存在的问题，提高了避障成功率，虽然只是解决了一类特殊问题，但是这类情无人车的使用中并不能避免，因此使得平衡策略能够应对更多问题。

4 结论

根据传统的平衡策略存在的不足之处，该项目提出了一种改进的平衡策略。当得出的结果时，在传统平衡策略的基础上引入一个验证环节，并对验证环节的具体计算过程和相应结论进行了详细的推导和阐述，以此检验移动机器人视野中是否存在障碍物，从而在移动机器人视野中存在特殊位置的障碍物时，也能通过光流计算对其准确的进行识别，并给出相应的避障策略，由计算机控制移动机器人成功完成避障操作，改进的平衡策略使避障的成功率得到了提高。

白内障小切口手法超乳术为标准治疗方法，以超声波为媒介粉碎发生病变的眼内变形晶状体，再以灌溉系统将粉碎组织清除体外，并植入人工晶状体，能够有效帮助患者恢复视力。但手术过程中应用高温裸露针头，操作不当可灼伤切口；而灌溉系统有发生外漏风险[3]。因此术前优化准备、术中优化配合、术后优化管理十分必要，改革护理方案对于保证手术效果意义重大。

参考文献：

[1] 崔佳超.无人驾驶智能车在动态环境中的避障方法[D].西安:西安工业大学, 2015.

[2] 肖雪, 秦贵和, 陈筠翰.基于光流的自主移动机器人避障系统[J].计算机工程, 2013, 39(10):305-308.

[3] 刘同敏. 基于图像序列的三维重建方法研究[D]. 南昌:南昌航空大学, 2013.

[4] 付跃刚, 赵宇, 刘智颖, 等. 基于视场拼接方法的仿生复眼光学系统设计[J]. 仪器仪表学报, 2015, 36(02):422-429.

[5] 戴斌, 方宇强, 孙振平, 等. 基于光流技术的运动目标检测和跟踪方法研究[J]. 科技导报, 2009, 27(12):55-60.

[6] 郑驰, 项志宇, 刘济林. 融合光流与特征点匹配的单目视觉里程计[J]. 浙江大学学报(工学版), 2014, 36(02):279-284.

[7] 付志然. 高分辨率显微图像配准方法优化的研究[D]. 大连:大连理工大学, 2013.

[8] 蒋晓瑜, 姚军, 宋小杉, 等. 基于局部光流约束的角点匹配算法[J]. 光学技术, 2010, (02):229-234.

[9] Souhila K, Karim A. Optical Flow based robot obstacle avoidance [J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2007, 4(1):1-6.

[10] 袁建英, 李柏林, 陈友庆, 等. 一种基于全部和局部平滑光流的分步人脸重建算法[J]. 计算机应用研究, 2013, 30(11):3480-3482+3491.