梁衛(wèi)鴿，郝衛(wèi)東，李 靜

(桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

自動機器人要在跑道上自動識別路線行駛，那么檢測路面信息是實現(xiàn)機器人巡線功能的前提。只有準確收集路面信息，快速做出判斷，才能更加穩(wěn)定快速地在路徑上前進。因此機器人視覺系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵，其主要功能是對機器人尋線的準確性進行控制，通過判斷機器人距離路徑中心的距離，調(diào)整機器人位置，保證機器人按照中心線行走。

路徑識別方案的好壞，直接關(guān)系到機器人系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。常用技術(shù)有:采用CCD 傳感器［1］循線、光電管陣列［1－3］、可見光、紅外傳感器循線技術(shù)等。各種檢測方法都有相應(yīng)的優(yōu)缺點。光電傳感器受外界光線影響大，難以達到較高的精度;紅外線精度較高，但不具備提前預(yù)知賽道的能力;CCD 傳感器循跡雖然信號處理比較復(fù)雜，但可以更遠且更早地感知賽道的變化，采集圖像分辨率較高，路線跟蹤精度高，不易受環(huán)境干擾，因此選擇CCD 攝像頭識別路線。

1 視覺系統(tǒng)原理分析

由位于機器人上方的CCD 攝像頭檢測白色路線的當前位置，并把數(shù)據(jù)傳送給AVR 單片機ATMEGA8，用8 個發(fā)光二極管顯示采集到的信息，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳送給主單片機ATMEGA32，根據(jù)程序判斷機器人是否行走在路徑中間，若已偏離路徑，則通過電機驅(qū)動器控制電機，改變左右輪的速度，從而調(diào)節(jié)機器人的運動方向［4］。系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1 所示。

圖1 機器人視覺系統(tǒng)的基本原理框圖

單片機ATMEGA8 把CCD 采集到的圖像進行處理，包括A/D 轉(zhuǎn)化和二值化等，然后把處理后的信息交給主控單片機ATMEGA32 進行電機控制。

1.1 CCD 圖像傳感器采集的技術(shù)難點分析

普通CCD 圖像傳感器通過行掃描方式，將圖像信息轉(zhuǎn)換為一維的視頻模擬信號輸出。CCD 輸出的信號變化較快，比如PAL 制式的視頻信號，每秒輸出50幀圖像信息，每幀圖像312.5 行，每行圖像信號時間為64 μs，其中有效的圖像信號約為56 μs。相比之下，ATMEGA8 的 A/D 轉(zhuǎn)換器采集速度較低:根據(jù)ATMEGA8器件手冊［3］，進行10 位A/D 轉(zhuǎn)換所需的時間為7 μs。這樣，采集的圖像每行只能有8 個像素，水平分辨率較低。另一方面，每場圖像可采集約300 行的圖像信息，所以圖像垂直分辨率相對較高［5］。從這種水平分辨率低、垂直分辨率高的圖像中，無法獲取具有足夠精度的路徑信息。

為此，針對大賽采用跑道的形狀特點:跑道都是由寬30 cm 的白色直線組成，檢測機器人前方一段路線參數(shù)，只需得到中心線上3 ～5 個點的位置信息就可以估算出路徑參數(shù)。這些點的位置，通過圖像中若干行信息就可以檢出，如圖2 所示。因此，所需檢測圖像應(yīng)該是水平分辨率高、垂直分辨率低［6］。

圖2 賽道形狀和賽道中心線檢測位置

將ATMEGA8 單片機采集的圖像分辨率特點，與賽道檢測對圖像分辨率的要求進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，在安裝CCD 攝像頭時，只要將其旋轉(zhuǎn)90°，輸出的圖像信息也相應(yīng)旋轉(zhuǎn)90°。這樣，ATMEGA8 中A/D 轉(zhuǎn)換器采集的圖像信息，水平分辨率與垂直分辨率就會互換，原水平分辨率低、垂直分辨率高的圖像，就會變成水平分辨率高、垂直分辨率低的實際圖像，以滿足道路參數(shù)檢測要求［7］。路線圖像以及攝像頭旋轉(zhuǎn)90°后的賽道圖像如圖3 所示。

圖3 路線圖像以及攝像頭旋轉(zhuǎn)90°后的賽道圖像

2 視覺系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

為采集圖像信息，CPU 需要根據(jù)行、場同步信號啟動A/D 轉(zhuǎn)換器，采集穩(wěn)定的圖像。由于視頻信號的變化快，所以需要另外設(shè)計同步分離電路。使用LM1881視頻同步分離集成塊，獲取視頻同步信號，將此同步信號連到單片機的中斷輸入端口。除此之外，一般CCD輸出視頻信號的峰峰值約在1 V，可以不經(jīng)過放大直接連接到單片機的A/D 輸入端口進行采集，也可以把視頻信號適當放大后將信號的峰峰值提高到34 V 輸入到單片機。CCD 器件工作電壓12 V，為此，需要在系統(tǒng)電路設(shè)計中，增加獨立12 V 電源模塊［8－9］?；蛞部刹捎脭夭ㄉ龎旱姆绞将@得12 V 電壓，硬件原理如圖4所示。

圖4 單片機采集圖像系統(tǒng)原理框圖

圖中包括有ATMEGA8 單片機最小系統(tǒng)、同步分離電路、5 V 穩(wěn)壓電路、12 V 斬波升壓電路等。其中ATMEGA8 單片機端口資源配置為:(1)A/D 輸入端口PAD02。輸入視頻模擬信號。(2)外部中斷口IRQ。輸入視頻行同步信號。(3)數(shù)字IO 口PM1。輸入奇偶場信號。(4)PWM 輸出端口。PWM2 12 V 斬波升壓控制信號。(5)二極管顯示輸出端口。

3 軟件設(shè)計

圖像采集采用中斷方式進行，采用72×24 分辨率的圖像，由于采集到的圖像由綠色背景和白色中心線組成，所以檢測每一行路徑中心線位置可以通過閾值比較計算出來［10］。軟件設(shè)計主要包括圖像采集模塊和圖像處理模塊，其中圖像采集模塊的主要包括:(1)系統(tǒng)初始化。A/D 轉(zhuǎn)換器初始化、外部中斷初始化。(2)外部中斷響應(yīng)模塊。判斷是否幀圖像開始、判斷是否采集該行圖像、啟動A/D 轉(zhuǎn)換、標示圖像采集完畢。(3)A/D 轉(zhuǎn)換中斷響應(yīng)模塊。采集固定數(shù)目的圖像數(shù)據(jù)。上位機處理圖像流程如圖5 所示。

圖5 上位機處理圖像流程圖

4 系統(tǒng)設(shè)計與實驗結(jié)果

調(diào)試過程中，為更好地觀察路線是否偏移，將采集到的圖像分為8 組，每組用1 個發(fā)光二極管亮滅顯示采集的圖像是否為白色路線。若最左邊的二極管亮，說明白線在最左邊，則機器人的位置偏右，需要調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速。在行駛過程中要保證中間的二極管亮，即機器人一直行走在路線中間。CCD 攝像頭和制作的視覺系統(tǒng)控制板如圖6 所示。

ATMEGA8 單片機采集到并通過串口傳送到微機顯示的前方直線路徑中心線的圖像部分數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖6 CCD 攝像頭和視覺系統(tǒng)控制板

表1 采集到的圖像部分數(shù)據(jù)

從表1 中可以觀察出，中間5 列數(shù)據(jù)值較大，兩邊數(shù)據(jù)較小。數(shù)據(jù)值較大的位置即為識別到的白線，數(shù)據(jù)值較小的位置為綠色背景。因白色的線反光度大，所以數(shù)值也較大。從上表也可看出，設(shè)計的視覺系統(tǒng)可以可靠地識別出場地里的白線。同時，通過閾值比較方式，即可以將每行中心線位置計算出來，處理時間約為8 μs 左右。上述CCD 檢測方法可以有效的獲取路徑圖像信息，并計算出其中的參數(shù)。

5 結(jié)束語

設(shè)計通過合理放置CCD 攝像頭，并且充分利用ATMEGA8 單片機內(nèi)部的硬件資源，可獲取滿足路徑參數(shù)檢測需要的圖形數(shù)據(jù)，進而可通過圖像處理算法，得到路徑參數(shù)。當然，利用CCD 檢測路徑參數(shù)也存在一些缺點:比如占用RAM 資源比較多、道路信息檢測速率受到限制、檢測有延時等，需要進一步改進。

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