張一迪

電子科技大學(xué) 四川 成都 611731

一、循跡小車概述

智能循跡小車作為電子自動(dòng)化技術(shù)的代表產(chǎn)品,是一個(gè)較為典型的高科技綜合系統(tǒng)。在其工作過程中,囊括了很多在高新技術(shù)的使用,比如探測(cè),傳感,識(shí)別,避障,掌控運(yùn)行路線并作出相應(yīng)的決策等等,都是智能循跡小車的特點(diǎn)。和一些智能機(jī)器人相比,智能循跡小車的運(yùn)行更加穩(wěn)定,其操作也更簡(jiǎn)便。所以我認(rèn)為,智能小車可以稱得上是更優(yōu)秀的智能機(jī)器人,只是將機(jī)器人的雙腿變成了輪子。

二、小車運(yùn)行過程

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,小車將會(huì)在開始階段攜帶小型物體,直行一段距離后,經(jīng)過多個(gè)180度彎道后直行,在指定地點(diǎn)投出物體,再直行一段距離后,識(shí)別出在右側(cè)的橋體,過橋之后通過門體結(jié)束運(yùn)行。

三、小車硬件選擇

1、運(yùn)行主板。在本設(shè)計(jì)中,除了小車的基本結(jié)構(gòu)之外,選擇Raspberry Pi 3B+作為運(yùn)行的主板,Raspberry Pi 3B+相比于其他的處理器,更接近于一個(gè)完整的系統(tǒng),我們可以在上面添加其他驅(qū)動(dòng)器和軟件,例如OpenCV 和Python。同時(shí)作為一個(gè)處理速度更快的主板,更適合于尋跡小車的運(yùn)行,不容易出現(xiàn)過程不連貫的情況。除此之外,作為一個(gè)體積有限,適用于其他情況的系統(tǒng),在有限體積內(nèi),我們需要為其他硬件留出足夠的組裝空間,在這樣的設(shè)計(jì)要求下,選擇廣泛電路板,連接PWM,GPIO 和電機(jī)。樹莓派的GPIO 端口連接電路板GPIO,PWM 用于控制之后所需要的硬件,電機(jī)選擇L298N,和其他電機(jī)相比它更穩(wěn)定也允許高電流通過。

2、傳感器選擇。在本次設(shè)計(jì)中,我更傾向于選擇超聲波傳感器,相比于其他設(shè)備,壓力傳感器分辨率較低,遙感效果差,光學(xué)傳感器也太需要天氣的支撐,一旦在惡劣天氣下很有可能停止工作,另外,紅外線感應(yīng)器也有其缺點(diǎn),有時(shí)它的敏感性較差,反應(yīng)也不夠靈敏。在權(quán)衡了多種設(shè)備下選擇超聲波傳感器,首先通過Raspberry向引腳輸入信號(hào),觸發(fā)該模塊的距離檢測(cè)功能。在激活之后該模塊將發(fā)送超聲波脈沖,并檢測(cè)是否有信號(hào)返回。最后,信號(hào)被檢測(cè)到,然后利用時(shí)間函數(shù)計(jì)算時(shí)間,從而計(jì)算出汽車與障礙物之間的實(shí)際距離。

3、釋放目標(biāo)物體設(shè)備選擇。在本次設(shè)計(jì)之中,除了基本的循跡過程之外,投放目標(biāo)物體到指定區(qū)域也是一項(xiàng)特殊的工作。權(quán)衡之下選擇機(jī)械臂,的確其成本較高,并且體積較大,但是其優(yōu)點(diǎn)極其明顯,對(duì)于投放位置的把控非常精確,是其他設(shè)備所難以比擬的,相比之下,利用磁鐵控制難以確定位置,并且也容易被其他金屬設(shè)備干擾,并不適合這種精確要求,同時(shí)一種推放手臂也是可選擇之列,其體積較小并且很容易控制,但是相比機(jī)械臂還是不夠精確。機(jī)械臂的控制通過PWM 伺服機(jī)制就可以很好的驅(qū)動(dòng),其機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)呈線性變化,所以,給定一定的脈沖寬度,它的輸出軸將保持在一個(gè)相應(yīng)的角度。

4、輪子驅(qū)動(dòng)。相比于其他硬件,輪子的選用較為簡(jiǎn)單。驅(qū)動(dòng)方式選擇四驅(qū),雖然和雙驅(qū)相比成本偏高,但是四驅(qū)的穩(wěn)定性值得信賴。同時(shí),在輪子和履帶的選擇上選擇輪子,雖然履帶有著輪子無法企及的優(yōu)點(diǎn),根據(jù)這次設(shè)計(jì)的要求,在行駛正常道路之外,還有上橋的路線,履帶毫無疑問因?yàn)楦吣Σ列栽谶@段行駛路線占有優(yōu)勢(shì),但是因?yàn)槁膸г谵D(zhuǎn)彎方面也有著劣勢(shì)。在思考之下還是選擇輪子,因?yàn)槠涓哽`活性更適合這個(gè)設(shè)計(jì)。

5、攝像頭選用。本次項(xiàng)目中選用300億像素?cái)z像機(jī),可與USB 其他模塊通訊。系統(tǒng)支持多種輸出形式。這臺(tái)攝像有兩個(gè)舵,可以左右旋轉(zhuǎn)180度,上下旋轉(zhuǎn)180度。同時(shí)這臺(tái)相機(jī)的作用首先是可以利用邊界識(shí)別算法對(duì)小車的下一次運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè),除此之外,可以通過在攝像機(jī)中的圖像對(duì)顏色進(jìn)行識(shí)別,對(duì)上橋和過門都有很重要的幫助。

四、軟件概述

1、基于OpenCV 的Canny算法。由于樹莓派的運(yùn)算速度并不夠快,所以也許不施加有效可靠的算法之外,得到的效果也是非常喜人的,但是在本設(shè)計(jì)中,除了所需要的效果之外,過程所需要的時(shí)間也很重要。Canny方法首先使用高斯濾波器對(duì)圖像進(jìn)行平滑的處理。其次,計(jì)算各點(diǎn)的梯度和方向。第三,采用非最大抑制來消除邊緣檢測(cè)中的雜散響應(yīng),然后進(jìn)行雙閾值檢測(cè)。檢測(cè)應(yīng)用于確定真實(shí)邊緣和潛在邊緣,最后通過抑制孤立的弱邊緣來實(shí)現(xiàn)邊界識(shí)別。在使用這種過程之后,可以發(fā)現(xiàn)即使不調(diào)整參數(shù),Canny方法的輸出效果也是很優(yōu)秀的。然而,這個(gè)輸出效果依舊需要提升。目標(biāo)路徑不夠清晰,因此需要降低噪聲,突出目標(biāo)路徑。

2、膨脹腐蝕算法。根據(jù)上面的描述,Canny算法可以說的上是很優(yōu)秀的輸出方式,但是降低噪聲來獲得更優(yōu)秀的輸出結(jié)果對(duì)小車運(yùn)動(dòng)方向極其重要。在這里選擇膨脹腐蝕算法。膨脹算法主要是對(duì)灰度值較大的像素進(jìn)行擴(kuò)展,用于突出目標(biāo)路徑。當(dāng)使用膨脹算法時(shí),卷積后每當(dāng)中心點(diǎn)周圍的一次足夠多的點(diǎn)是高亮度的,中心點(diǎn)就將被設(shè)置為高亮度,否則被設(shè)置為低亮度。與膨脹算法相比,腐蝕算法是對(duì)灰度值較小的像素點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展,其原理與膨脹算法相反,在這種情況下可以用來降低噪聲。

3、運(yùn)動(dòng)控制。根據(jù)邊界識(shí)別的結(jié)果,確定汽車運(yùn)動(dòng)的一種常用方法是先計(jì)算目標(biāo)路徑的質(zhì)心,然后用質(zhì)心位置來確定運(yùn)動(dòng)軌跡。首先,對(duì)于相機(jī)拍攝的照片,因?yàn)轫敳亢偷撞坑幸恍┎糠謱瑹o用的圖像。因此圖片可以分為五個(gè)區(qū)域,分為中心區(qū)域,左部分,極左部分,右部分和極右部分(頂部和底部無用區(qū)域屏蔽掉)。如果目標(biāo)路徑的質(zhì)心位于其中某個(gè)區(qū)域,那么小車將按照該區(qū)域的名稱移動(dòng)。例如,如果質(zhì)心位于極右區(qū)域中,小車就會(huì)向右轉(zhuǎn)。對(duì)于計(jì)算質(zhì)心,遍歷算法是常用且有效的,但因?yàn)镽aspberry Pi的運(yùn)算速度是較慢的。所以在這種情況下,使用一種改進(jìn)的遍歷算法。并不是遍歷所有點(diǎn),只表示目標(biāo)路徑的質(zhì)心的三行。在這種情況下,結(jié)果是相對(duì)準(zhǔn)確的,而速度將更快。

4、識(shí)別橋體。對(duì)于這個(gè)部分可以使用HSV 的格式檢測(cè),HSV 作為一個(gè)非常典型的方式在這個(gè)設(shè)計(jì)中也很實(shí)用。通過攝像機(jī)定時(shí)拍攝路邊物體來檢測(cè)出橋體顏色,同時(shí)利用閾值對(duì)所需顏色的HSV 范圍進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)情況。

五、結(jié)語(yǔ)

研究這類小車并不只是單純?yōu)榱伺d趣和探索,若能夠?qū)⑵溲邪l(fā)成熟,可以廣泛用于人類的生產(chǎn)生活之中,比如貨物的搬運(yùn),一些較為危險(xiǎn)和狹小的地帶的檢測(cè),或者軍用的掃雷用途等等,人類可以從這類人工智能受益無窮。