基于webots的机器人避障及物体识别仿真

靳晓英

（北方民族大学电气信息工程学院，甘肃银川，750021）

基于webots的机器人避障及物体识别仿真

靳晓英

（北方民族大学电气信息工程学院，甘肃银川，750021）

本文运用webots对机器人在家庭环境下物体识别可能遇到的问题进行了模拟仿真，验证其可行性。主要完成了对家庭环境和机器人模型的搭建及控制程序的编写并以此实现机器人避障和物体识别。仿真结果表明，此方法可行。为今后的算法改进奠定了基础。

webots建模；避障；物体识别；surf算法；最优匹配

0 引言

随着科学技术的快速发展，机器人被广泛的应用于工业、家庭、教育等多个领域。特别是服务机器人，发展前景广阔。家庭服务机器人实现商品化势在必行。

本文运用webots仿真平台，通过对环境和机器人的搭建及控制程序的编写来实现机器人自主避障和物体识别，以此来验证其合理性。

1 Webots仿真软件简介

Webots是用于建模，编程和模拟移动机器人的开发环境。可以3D 描述机器人的特性和环境世界。不仅提供了多种成型机器人模型，而且支持用户搭建自己的仿真环境和机器人模型，实现特定情况的仿真。webots支持c，c++、Python等多种编程语言，方便使用者对机器人进行编程控制。

2 仿真模型的设计及运动控制

2.1 模型搭建

Webots提供了多种模拟现实世界的节点，可以根据需要选择相应的节点并通过改变参数来实现模型的搭建 。本文中的仿真模型包括场景模型和机器人模型两部分。

场景模型依照现实家庭环境进行搭建。面积选择8*8m。其中的家庭常见物品则按照现实中的大小进行选取。

机器人节点包括机器人的身体，一个差动轮，两个距离传感器,一个摄像机和一支笔。

差动轮用于实现两轮机器人，且可提供差动转向功能。距离传感器用于测量其与障碍物之间的距离。通过检测一个或多个传感器射线与环境中的物体之间的碰撞来执行该装置模拟。 摄像机用来采集测试图像。本文选用“Color”摄像头。“Color“摄像头属于普通摄像头，主要用来采集彩色图像。笔主要是用来显示机器人的路径，方便查看实现情况。

Webots中的机器人模型的主体结构是一个由solid节点连接在一起的树型结构。其中，差动轮节点可自己作为基础节点，也可以选择机器人节点作为根节点。 任何其他类型的机器人需要使用机器人作为基础节点。本文中选择差动轮作为基础节点， 其他的节点作为直接子节点包含在基础节点中。

差动轮根节点的坐标是以车轮中心的地平面上的投影为基准，而子节点以根节点的坐标为基准。其中两个距离传感器置于机器人身体节点的前方，左右各一个。摄像机放置于机器人身体的上方。

2.2 运动控制

仿真开始后，机器人以恒定速度运动。同时，通过wb_robot_ get_device（）函数和wb_distance_sensor_enable（），wb_ camera_enable（）函数来获取和启动距离传感器和摄像机，之后通过wb_distance_sensor_get_value（）和wb_camera_get_ image（），wb_camera_save_image（）获取距离传感器的值并实现图像的采集和保存。对于距离传感器阈值的设定是依据webots中提供的有关距离传感器的lookupTable表进行设定的。其作用是用于指定设备的所需响应曲线和噪声。指示如何将由Webots测量的射线交点距离映射到由函数wb_distance_sensor_get_value（）返回的响应值上。

本文中为了同时确保避障和识别的效果，选取阈值为600.当两个距离传感器的值均大于600时，后退并转向90度后继续运动，若只有左边的传感器值超过600则向右转，反之向左转。

3 物体识别

本文采用基于局部特征的方法进行物体识别。目前，较高效的局部特征检测算子是SIFT和SURF。SURF算法可以简单的描述为SIFT算法的升级版，在保留SIFT优秀性能的同时提升了处理速度。所以，本文采用surf算法。提取出特征点后会再对其进行筛选，选择出最佳匹配点进行匹配，降低误匹配率。

由于surf算法属于高速特征采集算法，且最优匹配只匹配有限个数的最优点，所以该方法兼具了鲁棒性和实时性。

4 仿真实验

实验结果如图1、图2所示。

图1 机器人避障的仿真效果

图2 最优匹配的效果

5 结束语

本文运用webots仿真平台，对家庭环境和机器人进行建模并对机器人避障和物体识别进行仿真，验证其可行性。实验结果表明，此方法可行，为今后机器人物体识别的研究和改进奠定了基础。

[1]webots官方网站. http://www.cyberbotics.com/guide.

[2] webots官方网站. http://www.cyberbotics.com/reference.

[3]高越，马行，周凯，李伟顺.基于webots的汽车起重机建模及控制研究[J].信息与电脑,2016,(6):60-61.

[4]朱晓莉.家庭服务机器人物体识别与抓取的研究[D].浙江：中国计量学院，2013.

[6] 赵 烨,蒋建国,洪日昌. 基于空间约束的快速鲁棒特征匹配优化[J].电子与信息学报.2014,86(11)：2571-2577.

Simulation of Obstacle Avoidance and Object Recognition by robot Based on Webots

Jin Xiaoying
(School of Electrical and Information Engineering, BeiFang University of Nationalities,Yinchun Gansu,750021)

In this paper, the webots simulation platform is used to simulate the problems that the robot can encounter in the family environment and verify its feasibility. Mainly completed the family environment and robot model to build and control procedures for the preparation and implementation of the robot obstacle avoidance and object recognition. The simulation results show that this method is feasible. Lay the foundation for future algorithm improvement.

webots Modeling;Obstacle avoidance;object recognition;surf algorithm;Optimal match