楊慶文

基于線性CCD的智能車路徑識(shí)別方法

楊慶文

楊慶文

中國(guó)二冶集團(tuán)有限公司電氣設(shè)備安裝工程公司

楊慶文（1967年7月-）漢，遼寧鞍山，電氣高工，本科，電氣控制。

本文旨在探討兩輪自平衡智能車精確識(shí)別路徑的方法，其在采用曝光時(shí)間自適應(yīng)方法提高TSL1401CL線性CCD采樣精度的基礎(chǔ)上，針對(duì)兩輪自平衡智能車的行進(jìn)姿態(tài)，由MC9S12XS128單片機(jī)根據(jù)輪軸與路徑的水平夾角控制左電機(jī)與右電機(jī)；通過左電機(jī)與右電機(jī)的速度差實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡智能車的直行與轉(zhuǎn)彎，完成路徑精確識(shí)別。該方法具有解析度與智能化程度高、速度快、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

引言

目前，兩輪自平衡智能車以具有廣闊前景的汽車電子為背景，涵蓋了人工智能、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信、控制與自動(dòng)化等科學(xué)領(lǐng)域，并已廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境探測(cè)、故障檢測(cè)、管線泄漏、安保等許多領(lǐng)域。兩輪自平衡智能車作為移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)分支，具有轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、車體結(jié)構(gòu)輕巧、驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn)，其組成系統(tǒng)比較復(fù)雜但相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)?；谏鲜鲈?，兩輪自平衡智能車已成為國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。兩輪自平衡智能車能實(shí)現(xiàn)智能循跡就是在復(fù)雜路況下通過智能控制方法繞開障礙物并沿預(yù)定軌跡行進(jìn)。本文通過對(duì)線性CCD的控制實(shí)現(xiàn)兩輪平衡智能車對(duì)路徑的精確識(shí)別，確定兩輪平衡智能車兩輪軸中心的路徑偏移量，以差速方式分別控制兩輪軸對(duì)應(yīng)的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)差速循跡行走。

控制中心組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，兩輪自平衡智能車由控制中心實(shí)現(xiàn)路徑的精確識(shí)別，該控制中心由線性CCD與單片機(jī)組成。本文選用TSL1401CL線性CCD采集路徑信息，選用MC9S12XS128單片機(jī)控制線性CCD曝光量、處理采集的路徑信息，并根據(jù)路徑信息采用PWM方式控制左電機(jī)驅(qū)動(dòng)與右電機(jī)驅(qū)動(dòng)。TSL1401CL線性CCD內(nèi)部集成了并行的 128 個(gè)像素構(gòu)成的陣列，每個(gè)像素點(diǎn)均有3524.3平方微米的光敏區(qū)域。MC9S12XS128單片機(jī)為16位單片機(jī)，且具有1個(gè)8路12位精度A/D轉(zhuǎn)換器。本文中，兩輪自平衡智能車行駛路徑由兩條對(duì)可見光與不可見光均具有較強(qiáng)吸收性的黑帶構(gòu)成，兩條黑帶為路徑邊緣線，且該路徑具有特定幾何尺寸、摩擦系數(shù)及光學(xué)特性。

圖1 兩輪自平衡智能車路徑識(shí)別部分總框圖

控制中心控制方法

曝光時(shí)間自適應(yīng)方法

實(shí)際應(yīng)用中，由于外部環(huán)境光線情況對(duì)線性CCD的輸出信號(hào)影響比較大，故須使線性CCD適應(yīng)各種環(huán)境，并且具有較高的采集精度。本文采用兩種工作方式調(diào)節(jié)滿足適合各種環(huán)境光線的線性CCD的采集精度：當(dāng)環(huán)境光線較強(qiáng)時(shí)，采用閉環(huán)控制實(shí)時(shí)調(diào)整線性CCD曝光量；當(dāng)環(huán)境光線較弱時(shí)，對(duì)線性CCD采集的路徑信息通過可變?cè)鲆娴倪\(yùn)算放大器進(jìn)行放大。單片機(jī)根據(jù)環(huán)境光線的實(shí)時(shí)情況控制線性CCD進(jìn)行兩種工作方式的切換。本文中，采用閉環(huán)控制實(shí)時(shí)調(diào)整的線性CCD曝光量取決于線性CCD的鏡頭光圈與曝光時(shí)間，由于線性CCD的鏡頭光圈無法控制，故通過控制線性CCD的曝光時(shí)間調(diào)整曝光量。曝光時(shí)間自適應(yīng)方法示意圖如圖2所示。

圖2 曝光時(shí)間自適應(yīng)算法示意圖

本文中，PID調(diào)節(jié)采用如下公式：

上式中，參數(shù)Kp=45～57，Ki=2，Kd=8～10。

路徑識(shí)別方法

線性CCD采用周期掃描方式獲取路徑信息，路徑信息包括線性CCD前瞻距離L、兩條黑帶內(nèi)側(cè)之間的距離d、線性CCD視線偏離豎直方向的角度α、線性CCD視線范圍最大角度φ、線性CCD128個(gè)掃描點(diǎn)覆蓋長(zhǎng)度CD、兩輪子平衡智能車的輪軸與路徑的水平夾角θ、路徑的路徑寬度e、單位掃描時(shí)間內(nèi)智能車前進(jìn)速度v、線性CCD單位掃描時(shí)間內(nèi)捕捉到的兩條黑帶外側(cè)與內(nèi)側(cè)的邊緣標(biāo)志點(diǎn)數(shù)分別為a與b、一個(gè)完整單位掃描時(shí)間后線性CCD捕捉到的黑帶邊緣標(biāo)志點(diǎn)數(shù)m、單位掃描時(shí)間內(nèi)黑帶外側(cè)邊緣點(diǎn)偏移圓心角γ、路徑彎道半徑R，單位掃描時(shí)間內(nèi)智能車前進(jìn)距離CG，線性CCD的掃描單位時(shí)間Δt。上述各參數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 路徑參數(shù)關(guān)系示意圖

為提高信號(hào)處理速度與控制精度，MC9S12XS128單片機(jī)首先對(duì)線性CCD采集到的上述路徑信息進(jìn)行二值化處理；其次，MC9S12XS128單片機(jī)根據(jù)上圖，得到下列關(guān)系：

MC9S12XS128單片機(jī)根據(jù)輪軸與路徑的水平夾角è、Δt內(nèi)路徑彎道半徑R控制兩輪平衡智能車的行進(jìn)：當(dāng)輪軸與路徑的水平夾角時(shí)，兩輪平衡智能車直立行走；當(dāng)輪軸與路徑的水平夾角且Δt內(nèi)路徑彎道半徑R較大時(shí)，MC9S12XS128單片機(jī)通過控制左電機(jī)驅(qū)動(dòng)與右電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)驅(qū)使左電機(jī)與右電機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩輪平衡智能車緩慢轉(zhuǎn)彎；當(dāng)輪軸與路徑的水平夾角且Δt內(nèi)路徑彎道半徑R較小時(shí)，MC9S12XS128單片機(jī)通過控制左電機(jī)驅(qū)動(dòng)與右電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)驅(qū)使左電機(jī)與右電機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩輪平衡智能車快速轉(zhuǎn)彎。

結(jié)語

本文基于對(duì)線性CCD曝光量的控制提高了線性CCD的采樣精度，并采用上述路徑識(shí)別方法獲取兩輪平衡智能車的實(shí)時(shí)行進(jìn)姿態(tài)，根據(jù)該實(shí)時(shí)行進(jìn)姿態(tài)判斷路徑為直行路或彎路，并根據(jù)實(shí)時(shí)姿態(tài)的輪軸與路徑的水平夾角、單位掃描時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)路徑彎道半徑確定轉(zhuǎn)彎的速度大小，從而，兩輪平衡智能車精確實(shí)現(xiàn)了路徑識(shí)別。本文基于線性CCD的智能車路徑識(shí)別方法具有非接觸檢測(cè)、解析度與智能化高、精度高、速度快等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.040