摘要：课题研究使用嵌入式技术构建了一个支持网络访问的机器人视觉系统,机器人能够将采集到的视频信号,进行具有较高压缩比的MPEG-4编码,通过无所不在的网络,传送给INTERNET上的“主人”,同时“主人”可以通过发送控制信号,调整机器人视觉角度,焦距,遥控机器人“行走”,对家庭状况实时直播,实现家庭安全监控的目的,甚至可以通过增加传感器对病患进行监护,作为医院的自动医护机器人。该系统设计基于普适计算的概念,目标是构建的机器人能够融入家庭生活,通过无处不在的网络提供信息和服务。

　　1 引言

　　随着科技进步与社会发展，科研机构日渐重视具有视觉，听觉，甚至类人情感的机器人研究，同时，为了满足现代家庭服务的需要，催生了面向个人的服务机器人的诞生。人类对于这种高智能机器的渴望和技术的进步将使得市场逐步扩大。2010 年，面向个人和移动机器人市场的产值可能达到170 亿美元，它将超过工业机器人市场的产值。面向个人的机器人吸纳了的通信、控制、传感技术，采用了嵌入式系统为硬件基础，大幅提升了机器人的计算性能，同时又缩小了体积降低了功耗，将进一步促进个人机器人市场的发展。1988 年“普适计算之父” Mark Weiser 提出普适计算的概念：一种无处不在的计算能力，它将融入我们的生活，帮助我们轻松完成日常工作。普适计算概念与嵌入式技术在机器人上的结合，将能够使用户更方便地访问定制的信息和得到个性化的服务。

　　2 相关研究

　　2003 年4 月23 日，三菱重工业的家用人形机器人“wakamaru”在美国亮相。它采用了MontaVista Software 公司的“MontaVista Linux 3.0 Professional Edition” 嵌入式Linux 作为操作系统，头部安装了摄像机，能够通过无线网络将图像发送出去。几乎同时，2003 年3 月14 日富士通公司发售了MARON-1 型家用机器人，该机器人同样具备头部摄像机，能够将照片发送到用户手机上，并且还能接收用户通过手机网络发送的遥控操作指令。类似的还有索尼推出的机器狗AIBO，同样具有图像采集，各种传感器，甚至具备接收语音指令的功能，等等。不难发现，家用机器人的研发者不约而同的为机器人增加了视觉感应，温度感应，红外测距，模式识别等功能，使得机器人自身具有更加强大的计算与处理能力。由此可见，发达国家在家庭用机器人领域已经投入了大量的资本，也取得了不小的成果。

　　目前，许多国内外的科研机构纷纷致力于机器视觉研究，希望能够开发出一个具有自主的识别能力，并对各种情况能够做出判断，已经取得了一些成果。但是主要集中在人脸识别，指纹识别，步态识别等领域。由于实际环境比较复杂，外界干扰较多，并且系统鲁棒性较差，导致识别率不高。因此本文讨论的机器人系统采用嵌入式平台设计了网络视频传输的机器视觉方案，机器人将视频采集来的信号，进行MPEG-4 编码，并在其上搭建了一个小型的视频服务器。授权用户通过网络访问机器人实时采集的视频信号。本机器人功能上主要作为一个家庭保安，同时通过增加相应的传感器能够扩充一些家庭服务功能，如照看小孩和老人，病人等。

　　3 研究方法

　　本文主要为一款面向个人的家庭服务机器人设计视觉系统。该机器人应用于家庭的安全监控及服务，要求其视觉系统能够将采集到的视频通过INTERNET 发布，同时用户能够通过远程访问进行PTZ 控制（Pan/Tilt/Zoom，即全方位(上下、左右)移动及镜头变倍、变焦控制），另外，开启自动预警功能，对与移动物体检测后能够发出报警信号。

　　图 1 视觉系统构成

　　系统设计之初，指定了采用开放性的软件平台，需要有良好的稳定性，实时性，同时容易扩充新的硬件。因此采用Linux 作为操作系统，版本号为2.4.13，系统选择了ext3 文件系统，添加了Video for Linux 模块。机器人头部的摄像头负责采集视频信号，摄像头为267，206 像素，采用1/4 inch 彩色CCD 感光器，支持10 倍光学变焦。机器人视觉系统结构如图1 所示。其中，视频信号的采集和用户远程控制信号处理是主要的工作。

　　3.1 视频信号采集

　　分为两个部分，首先驱动USB 摄像头，然后通过Linux 下的Video for Linux 视频采集接口调用设备，更改设备设置，对视频进行内存映射，处理采集到的视频。

　　3.2 信号压缩处理

　　本视觉系统设计采用了MPEG－4 编码，在保证视频质量的前提下以尽量节省网络带宽，摄像头采集的信号经过MPEG－4 压缩编码后，形成视频流文件，当用户访问时，网络传输模块将视频流传送到用户浏览器，在用户端解码观看。MPEG－4 编码格式在6500kbps（千位/速率）下能够达到较好的视频质量，分辨率为352*288，达到广播级标准。

　　3.3 网络传输控制

　　目前，较方便的交互方式为B/S 方式的，用户可以在任何包含WEB 浏览器的设备上浏览是设计的目标。因此，系统采用了控件的方式，将控件通过HTTP 协议传送到用户端，在用户系统上运行。在机器人平台上搭建了一个小的WEB 服务器，服务器端*来自用户的请求，进行身份验证，授权用户浏览器一个ActiveX 控件，该脚本负责接收服务器端发出的视频流，进行组装和排序后，在用户端播放。同时控件负责将用户的控制操作转化为相应的格式发送给服务器端。

　　3.4 控制信号处理

　　头部水平旋转角度为左右135°，上下 45°。通过串口由舵机驱动，该部分为机器人控制部分课题。控制信号经过编码以HTTP 协议POST 格式向服务器端发出请求。客户端通过为http 请求添加控制数据，比如PTZ_MOVE_DOWN，服务器端接受请求后将指令解释，通过串口向舵机发出控制信号，摄像头向下偏移定量的角度，终视频信号反映出相应的变化。

　　3.5 预警信号处理

　　移动检测模块以预置的阀值为基础，对于检测画面中出现移动物体，其在画面中所占比例超出该预制比率后，发出预警信号，并跟踪物体移动。如画面大小为542*493，共有267，206 像素，阀值为20％，则:N＝移动物体像素值 / 画面总像素值

　　当移动物体所占像素超过20％，即N ≥53，441 个像素时，即发出警报信号。

　　4 实验

　　本文所讨论的机器人可以由用户通过远程控制。用户打开WEB 浏览器，输入访问地址。将提示用户登录，授权用户登录后进入主页面，如图2 所示。

　　图2 WEB 客户端访问主界面

　　主页面包含四维方向控制按钮，zoom 按钮及快照按钮，另外还有自动巡航按钮。用户可以通过按钮控制做上下左右运动，图3（a）显示了选择向上后的监控画面，摄像头会向上做单步运动，图3（b）、3（c）、3（d）用户分别选择了右、左、下。因此在机械设计的范围内，摄像头可以按照用户命令做左右135°，上下 45°的角度调整。

　　图3（a）向上移动 图3（b）向右移动 图3（c）向左移动 图3（d）向下移动

　　Snapshot 快照功能，将当前通道的视频流的一帧图像保存至本地。

　　移动检测：物体向右移动后，将跟踪物体移动，并以警报色线框提示，如图4 所示。

　　图4 移动侦测

　　5 结论

　　随社会发展与技术进步，机器人制造也吸收了更多的先进信息技术，势必推动机器人市场如火如荼的发展。如今在发达国家，家用机器人市场已经日渐成熟，因为社会环境的变迁，人们的生活方式逐渐发生变化，加强社会福利和百姓生活保障等的需要，都推动了家用机器人的市场化。本文所讨论的机器人视觉系统，不仅能够做到家庭保安，监控，同时由于采用了嵌入式技术，可以方便做到扩展或是裁减，比如可以单独作为一个家庭网络视频监控，增加预警功能后独立服务。因此，相应的研究还可以做很多的工作，将该视觉系统进一步完善。

　　本文作者创新点：实现了基于嵌入式系统的机器人视觉系统，该系统主要完成了视觉信号的采集、处理、编码、传输及控制等功能。