潘欣裕，畢自強(qiáng)，王 儉，董興法，付保川

(蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

在人工智能、機(jī)器人技術(shù)等課程越來(lái)越受到學(xué)校重視[1－3]，并被引入課程設(shè)置和教學(xué)計(jì)劃的今天，與上述課程相配合的實(shí)驗(yàn)裝置成為學(xué)校和任課教師迫切需要的輔助教學(xué)工具[4－8]。缺乏實(shí)用的機(jī)器人比賽場(chǎng)地以及相應(yīng)配套的監(jiān)控評(píng)判軟件成了亟需解決的問(wèn)題。

各類大專院校通過(guò)相關(guān)課程和學(xué)科競(jìng)賽的規(guī)劃，構(gòu)建了很多實(shí)驗(yàn)中心，也形成了不同的教學(xué)理念[9－11]。但目前這方面已有的場(chǎng)地多為大中專學(xué)生參加的各種各樣機(jī)器人競(jìng)賽的設(shè)施，如Robo-Cup比賽、全國(guó)智能機(jī)器人大賽、江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽等比賽的場(chǎng)地。它們有的占地過(guò)大，有的制作過(guò)難，有的日常維修量較大，有的不易搬運(yùn)，有的運(yùn)行過(guò)于繁瑣，有的比賽評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不夠科學(xué)。這些現(xiàn)狀都凸顯了適合學(xué)校教學(xué)的配套智能小車(chē)比賽場(chǎng)地處于一個(gè)有待發(fā)展的階段。

如果能將攝像頭采集圖像的技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)、紅外收發(fā)對(duì)管及其信號(hào)處理技術(shù)等運(yùn)用在智能小車(chē)比賽方面，構(gòu)成全監(jiān)控自動(dòng)判分的比賽場(chǎng)地，將對(duì)人工智能和機(jī)器人技術(shù)等課程的教學(xué)起到很好的支持輔助作用，無(wú)疑是一個(gè)很有意義的應(yīng)用方向。

本文介紹的一種自制的全監(jiān)控自動(dòng)判分的智能小車(chē)競(jìng)賽平臺(tái)，可以通過(guò)累計(jì)路程和計(jì)時(shí)，對(duì)智能小車(chē)比賽進(jìn)行成績(jī)判定，并借助簡(jiǎn)明直觀的人機(jī)界面予以顯示。

1 裝置組成與原理

全監(jiān)控自動(dòng)判分的智能小車(chē)競(jìng)賽平臺(tái)，由比賽場(chǎng)地、監(jiān)控系統(tǒng)和判分系統(tǒng)3個(gè)主要部分組成。可以通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)智能小車(chē)的行駛進(jìn)行計(jì)時(shí)，對(duì)智能小車(chē)行駛軌跡進(jìn)行記錄，對(duì)智能小車(chē)所走的路程進(jìn)行累計(jì)，并通過(guò)判分系統(tǒng)對(duì)智能小車(chē)比賽過(guò)程進(jìn)行判分，通過(guò)簡(jiǎn)明直觀的人機(jī)界面，對(duì)各項(xiàng)結(jié)果予以顯示。

1.1 比賽場(chǎng)地本體

比賽場(chǎng)地的立體示意圖如圖1所示。比賽場(chǎng)地的本體由底板、擋板和隔板組成，采用膠合板制作。底板上設(shè)置若干隔板，形成類似迷宮的效果。擋板圍在底板四周，以防止智能小車(chē)越出場(chǎng)地。底板上放置若干減速條，給比賽增加一定的難度。攝像頭由空心塑料管支架固定于場(chǎng)地正上方。

圖1 比賽場(chǎng)地的立體示意圖

比賽場(chǎng)地平面布局如圖2所示。場(chǎng)地的入口處和出口處的擋板和隔板上各安裝有一對(duì)紅外收發(fā)對(duì)管，對(duì)從其間經(jīng)過(guò)的智能小車(chē)具有感知作用。

圖2 比賽場(chǎng)地的平面布局圖

1.2 電子系統(tǒng)

電子系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)和判分系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。監(jiān)控系統(tǒng)包括影像模塊、位置檢測(cè)模塊和人機(jī)界面模塊3部分；判分系統(tǒng)包括計(jì)程模塊、計(jì)時(shí)模塊和判分模塊3部分。各個(gè)模塊的工作由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，如圖3所示。各個(gè)模塊的組成及功能如下:

1)影像模塊，由攝像頭和相應(yīng)軟件組成，將圖像信息進(jìn)一步處理以得到智能小車(chē)的位置和路線；

2)位置檢測(cè)模塊，由紅外收發(fā)對(duì)管和附屬電子電路組成，如圖4所示，可感知智能小車(chē)是否起跑和撞線，并負(fù)責(zé)給計(jì)時(shí)模塊發(fā)送開(kāi)始和停止計(jì)時(shí)的信號(hào)；

3)計(jì)程模塊，根據(jù)影像模塊的結(jié)果進(jìn)一步處理得到智能小車(chē)總的行駛路程；

4)計(jì)時(shí)模塊，根據(jù)位置檢測(cè)模塊提供的信號(hào)，啟動(dòng)和停止計(jì)時(shí)；

5)判分模塊，結(jié)合計(jì)程模塊提供的路程數(shù)據(jù)和計(jì)時(shí)模塊提供的時(shí)間數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)則和算法綜合得到智能小車(chē)的比賽得分。

圖3 電子系統(tǒng)各功能模塊關(guān)系框圖

圖4 用于感知小車(chē)位置的紅外收發(fā)對(duì)管

1.3 小車(chē)控制方式簡(jiǎn)介

可通過(guò)兩種方式對(duì)小車(chē)進(jìn)行控制，一是在PC端通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)進(jìn)行控制；另一種方式是通過(guò)非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，通過(guò)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行指令識(shí)別后，操控小車(chē)的行為。不論采用哪種方式，PC在接收指令后，向USB端口發(fā)送控制字指令，隨后可利用RF2401、藍(lán)牙、zigbee等無(wú)線模塊(本系統(tǒng)可以與不同的通信模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，無(wú)需調(diào)整軟硬件系統(tǒng))發(fā)送通信指令，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制。

1.4 人機(jī)交互界面

競(jìng)賽平臺(tái)的控制與人機(jī)交互界面如圖5和圖6所示。圖5的控制面板中包含了PC與小車(chē)通信的接口選項(xiàng)，前、后、左、右運(yùn)動(dòng)控制選項(xiàng)，還有語(yǔ)音識(shí)別控制選項(xiàng)與結(jié)果顯示標(biāo)志。本識(shí)別系統(tǒng)可以識(shí)別并實(shí)現(xiàn)非特定人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)四種控制命令。圖6的人機(jī)交互界面指示了小車(chē)的歷史行進(jìn)軌跡 (圖中弧線)，行進(jìn)的距離 (圖中左上角的Distance＝212 cm)，以及小車(chē)的行駛時(shí)間 (圖中右上角的25”11)。

圖5 PC端通信與控制界面

圖6 行車(chē)軌跡及參數(shù)指示人機(jī)交互界面

2 影像信號(hào)處理及判分算法

本文的競(jìng)賽平臺(tái)安裝了CCD視頻傳感器和紅外光傳感器。前者就是攝像頭，主要完成對(duì)小車(chē)的實(shí)時(shí)捕捉，利用軟件進(jìn)一步處理后，可得到小車(chē)的位置坐標(biāo)、行駛軌跡和累計(jì)路程等數(shù)據(jù)信息。后者就是紅外收發(fā)對(duì)管，主要完成對(duì)小車(chē)穿過(guò)對(duì)管事件的感知，計(jì)時(shí)模塊硬件電路由其可得到小車(chē)比賽耗時(shí)的數(shù)據(jù)，軟件結(jié)合加工后的路程數(shù)據(jù)給出比賽得分。

2.1 鏡頭畸變校正

考慮到成本和經(jīng)費(fèi)的因素，本文所制作的競(jìng)賽平臺(tái)購(gòu)置的攝像頭質(zhì)量不高，存在很明顯的鏡頭畸變的問(wèn)題，即所拍攝到的圖像邊緣部分會(huì)發(fā)生變形。從圖6中也可以看出，所拍攝到的方形競(jìng)賽場(chǎng)地影像發(fā)生了桶形畸變。本文采用文獻(xiàn) [12]的方法，利用平面網(wǎng)格模型事先求取鏡頭的畸變系數(shù)，在實(shí)際使用中對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)校正，可在不影響處理速度的前提下，滿足本系統(tǒng)的測(cè)量精度要求。

2.2 CCD傳感器視頻影像的處理

對(duì)攝像頭進(jìn)行視頻采集后，對(duì)每一幀圖像分步進(jìn)行了處理，如圖7所示。

圖7 影像模塊的算法描述框圖

1)將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，然后對(duì)其進(jìn)行邊緣檢測(cè)。

2)對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理 (灰度值小于127設(shè)為0，大于127設(shè)為255)。

3)對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹，形態(tài)學(xué)圖形為15×15的矩形。由于小車(chē)上的邊緣信息比較密集，膨脹后分散的色塊聚集起來(lái)形成了一個(gè)大的連通域。

4)進(jìn)行兩次形態(tài)學(xué)腐蝕，形態(tài)學(xué)圖形分別為40×40和10×10的矩形。由于上一步形成的連通域比較大所以沒(méi)有被完全腐蝕掉，而小車(chē)以外的其他物體會(huì)被腐蝕掉。

5)再一次用15×15的矩形進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹，將小車(chē)的色塊放大。

6)對(duì)色塊做尋找重心的操作，標(biāo)記小車(chē)的位置，然后進(jìn)行濾波處理使小車(chē)的位置穩(wěn)定下來(lái)，顯示在圖片上，并在圖片上畫(huà)出小車(chē)的行進(jìn)軌跡，計(jì)算小車(chē)行進(jìn)的距離。

2.3 判分規(guī)則

判分原則包括快速、安全、節(jié)能、環(huán)保等要求，由該原則決定的判分標(biāo)準(zhǔn)主要考慮所用時(shí)間和所經(jīng)路程，兼顧停頓(啟動(dòng))次數(shù)、轉(zhuǎn)向次數(shù)和碰撞次數(shù)等指標(biāo)。完成比賽的小車(chē)得到的初始扣除分值為:

式中，T是時(shí)間，L是路程，S是啟動(dòng)/停止次數(shù)，D是轉(zhuǎn)向次數(shù)，B是碰撞次數(shù)，α、β、γ、ρ、ε則是相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

其中，時(shí)間T和路程L可以通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)獲得，如圖6所示，左上角顯示小車(chē)運(yùn)動(dòng)路程212 cm，運(yùn)動(dòng)時(shí)間25.11 s。啟停次數(shù)、轉(zhuǎn)向次數(shù)和碰撞次數(shù)的記錄尚需要人工記錄輔助，但一般情況下出現(xiàn)碰撞或啟停等次數(shù)過(guò)多必然導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)，同時(shí)路程也相應(yīng)增加，所以時(shí)間和路程信息已經(jīng)在一定程度上包含了這3種計(jì)數(shù)信息。

根據(jù)實(shí)際所選小車(chē)的試車(chē)情況，選擇各變量和系數(shù)的最大值，得到理論最高扣除分值Mmax，然后按照式 (2)給出百分制的比賽最后得分:

一般情況下設(shè)定α＋β＋γ＋ρ＋ε＝1。例如設(shè)α＝0.4，β＝0.3，γ＝0.1，ρ＝0.1，ε＝0.1，其中某次測(cè)試得分為:運(yùn)行時(shí)間T＝25.11s，距離L＝212 cm，中途啟停次數(shù)S＝0次，轉(zhuǎn)向次數(shù)D＝12次，碰撞次數(shù)B＝0次。代入式(1)可得M＝11.88。

另外預(yù)設(shè)各參數(shù)的最大值為:運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)200 s，距離10 m，啟停次數(shù)5次。轉(zhuǎn)向次數(shù)30次，碰撞次數(shù)5次，則理論最高扣除分值Mmax＝87分。

根據(jù)式(2)，得到本次測(cè)試:

用戶可以根據(jù)不同的要求自行設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，以便得到合理的分?jǐn)?shù)。

3 平臺(tái)可承擔(dān)的比賽項(xiàng)目及實(shí)例

本文所設(shè)計(jì)的競(jìng)賽平臺(tái)沒(méi)有對(duì)參加比賽的智能小車(chē)加以過(guò)多限制，除車(chē)身外形尺寸之外，使用者可以有較廣泛的小車(chē)選型的自主權(quán)。事實(shí)上，本文在教學(xué)中實(shí)際采用的車(chē)型和控制方式也是多種多樣的，主要包括以下3種。

1)傳感器小車(chē)。

使用傳感器進(jìn)行自主循跡的智能小車(chē)，比如在車(chē)上裝載超聲波和光學(xué)模塊，用于避障和測(cè)量。這樣的小車(chē)可以自主地完成預(yù)先設(shè)定的功能，通過(guò)傳感器識(shí)別擋板并繞過(guò)障礙物最終到達(dá)目的地。

(2)聲控小車(chē)。

用語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)控制的小車(chē)。在實(shí)際使用中可采用科大訊飛、蘋(píng)果等公司的識(shí)別系統(tǒng)，用語(yǔ)音識(shí)別的結(jié)果來(lái)控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)。如圖8所示的語(yǔ)音控制的小車(chē)，麥克風(fēng)接收到語(yǔ)音信號(hào)并進(jìn)行識(shí)別，指令信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)NRF2401傳輸給小車(chē)，控制小車(chē)的行進(jìn)。

圖8 語(yǔ)音控制智能小車(chē)

3)遙控平衡車(chē)。

遙控的兩輪自平衡小車(chē)。制作了遙控的兩輪自平衡小車(chē)，通過(guò)藍(lán)牙連接PC機(jī)，用鍵盤(pán)控制行進(jìn)，如圖9所示。

圖9 兩輪自平衡小車(chē)

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文介紹的自制全監(jiān)控自動(dòng)判分的智能小車(chē)競(jìng)賽平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能設(shè)置合理，成績(jī)判定科學(xué)，人機(jī)界面簡(jiǎn)明直觀，具有空間小、易搬運(yùn)、制作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、易于操作、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。另外，該平臺(tái)還具有一定的成績(jī)判定原則和規(guī)則的開(kāi)放性，使用者可根據(jù)使用情況制定并實(shí)現(xiàn)符合自身要求的成績(jī)判定方法。除此之外，使用者還有較廣泛的機(jī)器人選型的自由權(quán)，可根據(jù)自身情況選用參加比賽的智能小車(chē)。本平臺(tái)制作簡(jiǎn)便，安裝和維護(hù)方便，成本也比較低，易于推廣。

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