基于树莓派的视觉避障移动机器人

摘要

本报告展示一种低成本移动机器人的设计与实现，利用计算机视觉检测并避开障碍物。由树莓派和USB网络摄像头驱动，系统演示了廉价硬件如何实现仓库等室内环境的无人自主导航。

商用自主机器人往往昂贵且针对单一环境，依赖超声波或红外等被动传感器防撞（Wang等，2011）。嵌入式计算近期进展使高性能视觉算法可在廉价平台运行。视觉法可在障碍物接近前远距离检测，为室内导航提供更鲁棒方案。

目标：构建通过USB网络摄像头连接树莓派检测障碍物的自主机器人。开发过程包括：

关键目标达成：

硬件

软件

算法先在Ubuntu笔记本开发，后移植至树莓派，利用Linux兼容性。识别障碍物上放置的圆形标记，二值化图像分离形状，计算半径估算距离。屏幕分三垂直区域；圆圈水平位置决定机器人转向动作。

受限于树莓派700MHz处理器和512MB内存，高分辨率处理受限，选择320×240分辨率平衡检测精度与帧率稳定性。

实验装置测量圆圈像素面积与物理距离的关系。移动障碍物远近，校准算法像素-距离映射，实现单摄像头视角的准确距离估算。

运行流程中，USB网络摄像头流式传输帧至树莓派。SimpleCV扫描每帧寻找圆形标记。检测到后，树莓派计算标记位置，驱动H桥控制电机左、右或前进。

项目证明树莓派、USB网络摄像头和SimpleCV可构建可行、高性价比的避障系统，适用于室内机器人应用。未来工作可扩展算法检测无标记障碍物，融合多传感器提升可靠性。

制造工艺