第8卷第5期 智能系统学报 VoL.8 No.5 2013年10月 CAAI Transactions on Intelligent Systems 0ct.2013 D0:10.3969/j.issn.1673-4785.201301028 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20130929.1110.007.html 采用Kinect的移动机器人目标跟踪与避障 贺超2，刘华平2，孙富春2，夏路易，韩峥2 (1.太原理工大学信息工程学院，山西太原030024：2.清华大学智能技术与系统国家重点实验室，北京100084) 摘要：为实现移动机器人在目标跟踪的同时进行避障，采用Kinect代替传统的测距雷达和摄像机.针对Kinect在使 用中存在盲区和噪声的问题，提出一种基于统计的局部地图更新方法，利用动态更新的局部地图保存可能影响机器 人运动的障碍物信息，并通过统计信息来消除测距噪声的影响，确保障碍物信息的有效性.同时使用增加安全区域的 人工势场法去除对移动机器人运动无干扰的障碍物信息，改善了传统人工势场法通过狭窄通道的能力.在差动驱动 移动机器人的实验证实了此系统能够很好地完成跟踪与避障任务，结果表明，使用Ki©ct可以代替传统测距传感器， 关键词：移动机器人；Kinect;人工势场；避障：目标跟踪 中图分类号：TP242.6文献标志码：A文章编号：1673-4785(2013)05-0426-07 中文引用格式：贺超，刘华平，孙富春，等采用Kinect的移动机器人目标跟踪与避障[J】.智能系统学报，2013,8(5)：426-432. 英文引用格式：HE Chao,LIU Huaping,SUN Fuchun,etal.Target tracking and obstacle avoidance of mobile robot using Kinect [J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2013,8(5):426-432. Target tracking and obstacle avoidance of mobile robot using Kinect HE Chao'2,LIU Huaping?,SUN Fuchun2,XIA Luyi',HAN Zheng? (1.College of Information Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.State Key Laboratory of Intelli- gent Technology and Systems,Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract:In order to get a better understanding of the obstacle avoidance of a mobile robot when it is tracking a tar- get,we used Kinect to take the place of the traditional range radar and camera.Because of the existence of a blind area and noise when using Kinect,a kind of local map updating method based on statistical theory was proposed, through the utilization of a dynamically updated local map,the information of an obstacle possibly affecting the mo- tion of the robot was maintained,in addition,by collecting information of statics,the influence of the range noise was eliminated,so to assure the validity of the obstacle information.Simultaneously,the artificial potential field method increasing the safe area was applied to remove the information of an obstacle not disturbing the motion of the robot,so as to improve the ability of the mobile robot to pass through a narrow passage by the traditional artificial potential field method.The experiment used on a mobile robot with differential drive shows that,this system may re- alize target tracking and obstacle avoidance in a proper manner;the Kinect may take the place of the traditional range sensor. Keywords:mobile robot;Kinect;artificial potential field;obstacle avoidance;target tracking 超声与激光测距雷达是目前移动机器人获取环3-D摄像机，使用它可以同时获取环境光学图像以 境信息的主要传感器，很多的路径规划、地图绘制等 及光学图像上物体的位置信息，其获取的信息量丰 工作都是使用这2种传感器完成.然而超声波雷达 富并且成本低廉，很适合应用于移动机器人的路径 获取的环境信息较为粗糙，激光雷达虽然获取的信 规划与目标跟踪等工作.目前国内外学者对Kinect 息丰富但是成本却很高.Kinect是微软公司生产的 应用于移动机器人进行了一些研究工作，文献[1] 利用Kinect进行障碍物检测，但是其Kinect的位置 收稿日期：2013-01-21.网络出版日期：2013-09-29 却是固定不变的：文献[2]利用Kinect搭建了移动 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61075027). 机器人目标跟踪系统，但是没有考虑Kinect盲区对 通信作者：贺超.E-mail:tianhechao@sina.com.第 ８ 卷第 ５ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ.８ №.５ ２０１３ 年 １０ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｏｃｔ. ２０１３ ＤＯＩ: １０.３９６９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１６７３￣４７８５.２０１３０１０２８ 网络出版地址:ｈｔｔｐ: / / ｗｗｗ.ｃｎｋｉ.ｎｅｔ / ｋｃｍｓ/ ｄｅｔａｉｌ / ２３.１５３８.ＴＰ.２０１３０９２９.１１１０.００７.ｈｔｍｌ 采用 Ｋｉｎｅｃｔ 的移动机器人目标跟踪与避障 贺超１ꎬ２ ꎬ刘华平２ ꎬ孙富春２ ꎬ夏路易１ ꎬ韩峥２ (１.太原理工大学 信息工程学院ꎬ山西 太原 ０３００２４ꎻ ２.清华大学 智能技术与系统国家重点实验室ꎬ北京 １０００８４) 摘 要:为实现移动机器人在目标跟踪的同时进行避障ꎬ采用 Ｋｉｎｅｃｔ 代替传统的测距雷达和摄像机.针对 Ｋｉｎｅｃｔ 在使 用中存在盲区和噪声的问题ꎬ提出一种基于统计的局部地图更新方法ꎬ利用动态更新的局部地图保存可能影响机器 人运动的障碍物信息ꎬ并通过统计信息来消除测距噪声的影响ꎬ确保障碍物信息的有效性.同时使用增加安全区域的 人工势场法去除对移动机器人运动无干扰的障碍物信息ꎬ改善了传统人工势场法通过狭窄通道的能力.在差动驱动 移动机器人的实验证实了此系统能够很好地完成跟踪与避障任务ꎬ结果表明ꎬ使用 Ｋｉｎｅｃｔ 可以代替传统测距传感器. 关键词:移动机器人ꎻＫｉｎｅｃｔꎻ人工势场ꎻ避障ꎻ目标跟踪 中图分类号:ＴＰ２４２.６ 文献标志码:Ａ 文章编号:１６７３￣４７８５(２０１３)０５￣０４２６￣０７ 中文引用格式:贺超ꎬ刘华平ꎬ孙富春ꎬ等.采用 Ｋｉｎｅｃｔ 的移动机器人目标跟踪与避障[Ｊ]. 智能系统学报ꎬ ２０１３ꎬ ８(５): ４２６￣４３２. 英文引用格式:ＨＥ Ｃｈａｏꎬ ＬＩＵ Ｈｕａｐｉｎｇꎬ ＳＵＮ Ｆｕｃｈｕｎꎬ ｅｔ ａｌ. Ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｕｓｉｎｇ Ｋｉｎｅｃｔ [Ｊ]. ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓꎬ ２０１３ꎬ ８(５): ４２６￣４３２. Ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｕｓｉｎｇ Ｋｉｎｅｃｔ ＨＥ Ｃｈａｏ １ꎬ２ ꎬ ＬＩＵ Ｈｕａｐｉｎｇ ２ ꎬ ＳＵＮ Ｆｕｃｈｕｎ ２ ꎬ ＸＩＡ Ｌｕｙｉ １ ꎬ ＨＡＮ Ｚｈｅｎｇ ２ (１.Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ２. Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉ￣ ｇｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓꎬ Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４ꎬ Ｃｈｉｎａ) Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｅｔ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｏｆ ａ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｗｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａ ｔａｒ￣ ｇｅｔꎬ ｗｅ ｕｓｅｄ Ｋｉｎｅｃｔ ｔｏ ｔａｋｅ ｔｈｅ ｐｌａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒａｎｇｅ ｒａｄａｒ ａｎｄ ｃａｍｅｒａ. Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ａ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｗｈｅｎ ｕｓｉｎｇ Ｋｉｎｅｃｔꎬ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｍａｐ ｕｐｄａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｔｈｅｏｒｙ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄꎬ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ ｕｐｄａｔｅｄ ｌｏｃａｌ ｍａｐꎬ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｐｏｓｓｉｂｌｙ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏ￣ ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｍａｉｎｔａｉｎｅｄꎬ ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎꎬ ｂｙ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｉｃｓꎬ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｎｏｉｓｅ ｗａｓ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄꎬ ｓｏ ｔｏ ａｓｓｕｒｅ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ. Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙꎬ ｔｈｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｆｅ ａｒｅａ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｒｅｍｏｖｅ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｎｏｔ ｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔꎬ ｓｏ ａｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｔｏ ｐａｓｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｎａｒｒｏｗ ｐａｓｓａｇｅ ｂｙ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ. Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｕｓｅｄ ｏｎ ａ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｒｉｖｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔꎬ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｙ ｒｅ￣ ａｌｉｚｅ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｉｎ ａ ｐｒｏｐｅｒ ｍａｎｎｅｒꎻ ｔｈｅ Ｋｉｎｅｃｔ ｍａｙ ｔａｋｅ ｔｈｅ ｐｌａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒａｎｇｅ ｓｅｎｓｏｒ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔꎻ Ｋｉｎｅｃｔꎻ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｉｅｌｄꎻ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅꎻ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ 收稿日期:２０１３￣０１￣２１. 网络出版日期:２０１３￣０９￣２９. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(６１０７５０２７). 通信作者:贺超. Ｅ￣ｍａｉｌ: ｔｉａｎｈｅｃｈａｏ＠ ｓｉｎａ.ｃｏｍ. 超声与激光测距雷达是目前移动机器人获取环 境信息的主要传感器ꎬ很多的路径规划、地图绘制等 工作都是使用这 ２ 种传感器完成.然而超声波雷达 获取的环境信息较为粗糙ꎬ激光雷达虽然获取的信 息丰富但是成本却很高.Ｋｉｎｅｃｔ 是微软公司生产的 ３￣Ｄ 摄像机ꎬ使用它可以同时获取环境光学图像以 及光学图像上物体的位置信息ꎬ其获取的信息量丰 富并且成本低廉ꎬ很适合应用于移动机器人的路径 规划与目标跟踪等工作.目前国内外学者对 Ｋｉｎｅｃｔ 应用于移动机器人进行了一些研究工作ꎬ文献[１] 利用 Ｋｉｎｅｃｔ 进行障碍物检测ꎬ但是其 Ｋｉｎｅｃｔ 的位置 却是固定不变的ꎻ文献[２]利用 Ｋｉｎｅｃｔ 搭建了移动 机器人目标跟踪系统ꎬ但是没有考虑 Ｋｉｎｅｃｔ 盲区对