楊超，劉晨暉，楊肖，趙春鋒，汪敬華

（上海工程技術(shù)大學(xué)工程實訓(xùn)中心，上海 201620）

0 引言

全國大學(xué)生“恩智浦”杯智能汽車競賽由教育部高等教育司委托教育部高等學(xué)校自動化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會主辦、以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程實踐活動。該競賽過程包括理論設(shè)計、實際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場比賽等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生組成團(tuán)隊，協(xié)同工作，初步體會一個工程性的研究開發(fā)項目從設(shè)計到實現(xiàn)的全過程。2018年第十三屆“恩智浦”杯智能車競賽中，設(shè)立信標(biāo)對抗組競賽。本文分析了智能汽車如何識別特定的信標(biāo)燈塔，并給出了相應(yīng)的有效路徑處理方法。

選手制作的車模開始位于發(fā)車區(qū)域內(nèi)，此時所有的信標(biāo)都是熄滅狀態(tài)。開始比賽后，比賽系統(tǒng)自動會啟動第一個信標(biāo)，信標(biāo)會發(fā)送聲比賽計時控制系統(tǒng)發(fā)車區(qū)光導(dǎo)引信號。此時選手的車模能夠識別確定信標(biāo)的方位并做定向運動。當(dāng)車模上安放的磁標(biāo)進(jìn)入信標(biāo)附近的感應(yīng)線圈后，比賽系統(tǒng)會自動切換點亮到下一個信標(biāo)，車模隨機(jī)前往第二個點亮的信標(biāo)。此過程將會依次進(jìn)行10次左右。最終比賽時間是從當(dāng)一個信標(biāo)點亮，到后一次信標(biāo)熄滅為止。比賽場地示意圖如圖1所示。

圖1比賽場地示意圖

1 系統(tǒng)概述

智能車的整個系統(tǒng)分為為機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊、控制算法等三部分。智能車的工作模為：攝像頭采集賽場上的圖像輸入單片機(jī)K60，經(jīng)過圖像二值化處理確定閃亮的信標(biāo)燈的坐標(biāo)位置，K60輸出相應(yīng)的PWM信號到舵機(jī)，控制舵機(jī)打角使車模轉(zhuǎn)向進(jìn)入尋跡狀態(tài)，左右后輪分別安裝光電編碼器，實時反饋脈沖信號到K60，K60經(jīng)過FTM模塊正交解碼得到左右后輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，進(jìn)而使用PID控制算法對車速進(jìn)行控制，控制途徑為通過PID控制算法計算出正確的車速，再由K60輸出相應(yīng)的PWM信號到半橋驅(qū)動器IR2104。通過以上過程實現(xiàn)了智能車的閉環(huán)控制，完成整個比賽過程。圖2為系統(tǒng)概述流程示意圖。

圖2系統(tǒng)概述流程圖

2 信標(biāo)燈塔及引導(dǎo)信號

信標(biāo)燈機(jī)械部分由三部分組成：白色圓柱形燈罩、金屬底座、固定底盤。圓柱形燈罩為白色熟料，可以透徹?zé)粽种械募t色和紅外光線。金屬底座固定在底盤上、支持燈罩。比賽場地內(nèi)的藍(lán)色背景布鋪設(shè)在底盤上面，底盤的厚度在3到5毫米之間。信標(biāo)燈塔如圖3所示。

圖3信標(biāo)燈塔

“恩智浦”杯智能汽車競賽組委會為了拓展廣大參賽學(xué)生的思想深度及增加競賽的多元性，使得信標(biāo)燈塔有了多種信號組合的多種方式的引導(dǎo)方式。信標(biāo)燈塔在點亮后會同時發(fā)送10Hz的紅色與紅外信號。信標(biāo)燈塔紅光與紅外信號波形如圖4所示。

3 引導(dǎo)信號信息提取及路徑規(guī)劃策略

3.1 賽道信息提取

由于需要采集整個賽道場地的信息，故選擇了可以監(jiān)測視野廣闊的全局?jǐn)z像頭MT9V032來采集場地信息。MT9V032拍攝一幀圖像的大小為180×120個灰度（0-255）像素點，設(shè)置的參考幀率為50幀/秒。圖5所示為MT9V032攝像頭輸出時序圖。

圖4信標(biāo)燈塔紅光與紅外信號波形圖

圖5 MT9V032輸出時序圖

3.2 二值化處理

由于MT9V032采集到的是灰度值范圍為0-255的灰度圖像，灰度圖像在能還原賽場環(huán)境?；叶葓D像含有賽場環(huán)境較為復(fù)雜的信息，需要對灰度圖像再進(jìn)行二值化處理，即將復(fù)雜的圖像簡化。將256個亮度等級的灰度圖像通過選取適當(dāng)?shù)拈撝岛笫沟盟行∮谠撻撝档南袼攸c為黑色，則所有大于上述閾值的像素點為白色，所以最終的圖像為一幅黑白二值圖像。然而賽場環(huán)境很復(fù)雜包括光線亮度不同，二值化閾值也不盡相同。所以圖像處理中二值化閾值的選取非常重要。另外采用實時調(diào)節(jié)閾值算法，從而更好地適應(yīng)賽場環(huán)境，減小其他的干擾。圖6為圖像二值化示意圖。

圖6二值化圖像

3.3 信標(biāo)燈塔位置計算

通過采集信標(biāo)燈塔發(fā)出的紅外信號來提取目標(biāo)。為了濾除其他波段的光線，在攝像頭的鏡頭內(nèi)側(cè)加入了紅外濾光片，再通過選裝偏振片或調(diào)節(jié)二值化閾值的大小濾除賽道反光干擾，即可得到一個不規(guī)則的圓形光斑。圓形光斑通過逐行逐列掃描120行×180列的圖像，記錄并存儲白色像素點。對于圓形光斑，可以采用圖像簡化的方法，通過選取圓形光斑最寬行、最寬行的中間列，確定出圓斑中心點，從而把圓斑簡化為一個白點。由此算出的信標(biāo)燈塔的代替點較為穩(wěn)定，且不易跳動，且跳動范圍仍在信標(biāo)燈大概中心范圍內(nèi)。圖7為信標(biāo)燈塔位置計算示意圖。

圖7信標(biāo)燈塔位置計算

3.4 路徑規(guī)劃策略

信標(biāo)場地不同于傳統(tǒng)的賽道組，沒有明確的路徑指向性，只能以點亮的信標(biāo)燈塔作為大致的循跡方向，后來考慮到路徑正對信標(biāo)燈塔中心時會因為車速過快而撞上和最短路程原理，所以采用了最近路程切入線圈滅燈的繞行方式。繞行滅燈方式如圖8所示，1或2路徑均可，但考慮到最短路徑，最優(yōu)路徑應(yīng)為1號路徑。

圖8繞行滅燈方式

4 結(jié)語

如何精確地檢測點亮的信標(biāo)燈塔并迅速控制小車向著最短的路徑滅燈對于信標(biāo)對抗賽整體速度的提高有著非常重要的作用。本文所述的信標(biāo)燈塔檢測方法及最短路徑規(guī)劃在第十三屆“恩智浦杯”智能汽車競賽中得到實際的應(yīng)用并取得了一定的成績，經(jīng)檢驗為一種有效的檢測信標(biāo)燈塔、合理規(guī)劃路徑的方法。