基于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的智能機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘 要

近幾年智能機(jī)器人在我國(guó)發(fā)展迅速，其主要通過(guò)計(jì)算機(jī)編寫(xiě)軟件程序來(lái)控制智能機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。在學(xué)生教育領(lǐng)域，引入智能機(jī)器人教育具有非常重要的教育意義，可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，開(kāi)闊學(xué)生的視野，增長(zhǎng)在計(jì)算機(jī)技術(shù)方面的專業(yè)知識(shí)。本文主要通過(guò)對(duì)教育領(lǐng)域所進(jìn)行的基于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的智能機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行研究，以期能夠?qū)χ悄軝C(jī)器人的研究和設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的推動(dòng)作用。

【關(guān)鍵詞】智能機(jī)器人 計(jì)算機(jī) 軟件 應(yīng)用研究

機(jī)器人的理念對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)并不陌生，隨著時(shí)代的發(fā)展，其已經(jīng)成為未來(lái)智能化與自動(dòng)化發(fā)展的重要方向，并引領(lǐng)著時(shí)代科技向著更高層次邁進(jìn)。

1 智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作所具有的重要價(jià)值

1.1 機(jī)器人技術(shù)保障機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目的健康發(fā)展

機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作具有集成性，其集成了大量的先進(jìn)技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。比如信息技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子科學(xué)、材料工程、能源工程等眾多領(lǐng)域智能機(jī)器人都有涉及。智能機(jī)器人技術(shù)還具有先進(jìn)性，其所涉及的高科技熱門(mén)話題一直在世界范圍內(nèi)火熱發(fā)展，其作為高科技話題中的一員，引領(lǐng)著先進(jìn)的功能，也正在改變著我們的生活。機(jī)器人技術(shù)的終極目標(biāo)就是制作出可以為人類服務(wù)的智能化機(jī)器人，所以機(jī)器人的發(fā)展性需要不斷堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新原則，研發(fā)與提高機(jī)器人技術(shù)，讓其走在發(fā)展道路的前列。

1.2 機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目學(xué)生參與性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)

對(duì)于機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目，學(xué)校一般放在社團(tuán)活動(dòng)中舉行，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與其中，很多學(xué)生對(duì)其有著強(qiáng)烈情緒，參與的積極性很高。很多學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手參與設(shè)計(jì)與制作，對(duì)其進(jìn)行研究，這就讓學(xué)生的機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐性得到提高。部分學(xué)生在開(kāi)發(fā)機(jī)器人過(guò)程中大膽創(chuàng)新，設(shè)計(jì)方案新穎，取得了不錯(cuò)的成果。機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作簡(jiǎn)單，創(chuàng)新設(shè)計(jì)制作則富有挑戰(zhàn)性，互動(dòng)性，在課堂上能夠滿足學(xué)生各種層次的需求，并可以讓學(xué)生像現(xiàn)實(shí)工程師一樣，完成組裝，調(diào)試和運(yùn)行，帶給學(xué)生極強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性。

1.3 機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目發(fā)展給高等教育帶來(lái)的新氣象

通過(guò)智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目，讓學(xué)生的思維更加廣闊，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目引入到學(xué)生教育中來(lái)，是對(duì)新時(shí)代教育的一種創(chuàng)新，能夠給高等教育帶來(lái)更為廣闊的發(fā)展空間。其所具有的創(chuàng)新性和科技性也將會(huì)引領(lǐng)學(xué)生向著更加廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，可以讓學(xué)生接觸到更高層次的教育理念，給接受高等教育的學(xué)生帶來(lái)一絲清新的氣息。因此，政府應(yīng)當(dāng)重視機(jī)器人技術(shù)方面的投入，給計(jì)算機(jī)教育帶來(lái)新的發(fā)展。

2 基于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的智能機(jī)器人系統(tǒng)建設(shè)

2.1 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航

計(jì)算機(jī)視覺(jué)興起于二十世紀(jì)五十年代，其涵蓋了心理學(xué)、生理學(xué)、神精神力學(xué)等多方面的理論成果，是迄今為止非常完善的視覺(jué)理論。該系統(tǒng)構(gòu)建主要分為三個(gè)層次，即計(jì)算理論層次，表達(dá)算法層次，以及硬件實(shí)施層次。其視覺(jué)建設(shè)主要采用CCD攝像機(jī)對(duì)二維圖像信息進(jìn)行采集，通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人工作環(huán)境所劃分的結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境的區(qū)分實(shí)現(xiàn)視覺(jué)的簡(jiǎn)易化處理。其一般以簡(jiǎn)易檢測(cè)為主，搭配Hough變換、模式匹配等，對(duì)最小二乘法處理應(yīng)用道路邊界線條，從而得出道路的幾何描述。

2.2 圖像處理

在圖像處理方面，主要是用的數(shù)字圖像插值算法為最近鄰點(diǎn)差值法、雙線性插值法、雙三次插值法。最近鄰點(diǎn)插值法主要是對(duì)采樣點(diǎn)周圍的四個(gè)相鄰像素點(diǎn)進(jìn)行采取，選擇距離最近的灰點(diǎn)值作為灰度值，其公式為：

其中i，j均為非負(fù)整數(shù)，u，v為[0，1]區(qū)間的浮點(diǎn)數(shù)，數(shù)值可以取0.5，f（i，j）表示原圖像（i，j）處的像素值。

雙線性插值法所根據(jù)的是采樣點(diǎn)與相鄰點(diǎn)的距離，從而確定相應(yīng)權(quán)值，通過(guò)此計(jì)算待采樣點(diǎn)的灰度值。其公式為：

雙線性插值法與最近鄰點(diǎn)法相比，其更加考慮了最近四個(gè)點(diǎn)采樣影響，對(duì)于灰度的不連續(xù)性有所考慮，但同樣，其所進(jìn)行的計(jì)算量增大了。

雙三次插值法考慮到了各鄰點(diǎn)之間的灰度變化率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中w為自變量，S（w）為三次多項(xiàng)式的值。

差值公式為：

計(jì)算的時(shí)候需要對(duì)周圍十六個(gè)灰度值依照公式進(jìn)行內(nèi)插，其考慮到了直接鄰點(diǎn)的灰度值對(duì)采樣的影響，提高了精準(zhǔn)度，但同時(shí)也加大了計(jì)算量。

2.3 移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制

根據(jù)相應(yīng)目標(biāo)，其主要分成三個(gè)基本問(wèn)題進(jìn)行研究：即軌跡跟蹤、路徑跟蹤、點(diǎn)鎮(zhèn)定。對(duì)于軌跡跟蹤來(lái)說(shuō)，通過(guò)合適方法的尋找讓機(jī)器人沿著預(yù)期的路徑運(yùn)行；軌跡跟蹤則是讓機(jī)器人沿著既定的軌跡運(yùn)行，其可以是時(shí)間有關(guān)的幾何路徑；點(diǎn)鎮(zhèn)定則主要是讓機(jī)器人能夠從任意位置鎮(zhèn)定道目標(biāo)位置上。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方面，所使用的主要控制方法為模糊控制方法。其主要的目的是將客觀存在的三維場(chǎng)景，通過(guò)攝像機(jī)以二維的形式予以攝取，將投影變成圖像描述，進(jìn)行透視變換。其涉及到了不同坐標(biāo)之間的變化，比如，世界坐標(biāo)、車體坐標(biāo)、像平面坐標(biāo)等等，為了能夠讓圖像空間中機(jī)器人點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間人物相一致，則需要解決好圖像空間與任務(wù)空間的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。通過(guò)對(duì)路徑信息的采集，通過(guò)模仿人工瞄準(zhǔn)的行為，運(yùn)用直接圖形信息的方式對(duì)機(jī)器人的輸入控制量進(jìn)行控制則不失為一個(gè)較好的方法。此方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以了解到，運(yùn)用NXT移動(dòng)機(jī)器人跟蹤，可以讓機(jī)器人達(dá)到很好的運(yùn)動(dòng)效果，對(duì)機(jī)器人控制的效果也更為顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)器人制作項(xiàng)目的開(kāi)展可以引導(dǎo)學(xué)生健康發(fā)展，可以讓學(xué)生的實(shí)踐能力得到提升，可以讓教育領(lǐng)域的科技性更強(qiáng)。教師在進(jìn)行教學(xué)過(guò)程中，要注重做好計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的智能機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用探索，通過(guò)計(jì)算機(jī)與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，讓機(jī)器人更加智能化，讓其程序更加完善，讓其應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣闊，為其未來(lái)的發(fā)展提供更加豐沃的土壤。

參考文獻(xiàn)

[1]自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)[J].中國(guó)無(wú)線電電子學(xué)文摘，2011（06）：163-242.

[2]楊亮，李文生，鄧春健，楊偉鈞.基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015（03）：233-236.

[3]王飛躍.機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展：從工業(yè)自動(dòng)化到知識(shí)自動(dòng)化[J].科技導(dǎo)報(bào)，2015（21）：39-44.

作者簡(jiǎn)介

龐天杰（1980-），山西省太谷縣人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為太原師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系講師。研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)及數(shù)據(jù)挖掘。

作者單位

太原師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系 山西省晉中市 030619