基于图像识别的循迹车路径识别算法研究 - 机器人技术 -

2dmin

<strong>1 整体设计</strong>

根据功能的不同，小车分为六部分：摄像头图像采集模块、电源模块、电机驱动模块、测速模块、舵机转向模块、辅助调试模块。图1是小车系统硬件模块框图。


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:12 上传
<strong>下载附件</strong> (6.59 KB)




</ignore_js_op>


(1)摄像头图像采集模块

采用CMOS摄像头作为识别路径的传感器。此模块的主要作用是识别黑色引导线，工作原理为：摄像头的信号通过LM1881视频分离芯片向DGl28产生行信号中断和场信号中断，以控制图像A／D值的采集；然后通过边沿提取算法提取出每行黑线的位置，通过提取连续段重新购建一帧图像的算法对整个图像进行处理。

(2)驱动模块

Freescale公司生产的MC33886芯片是一款性能优良的直流电压驱动芯片。通过输入不同占空比的方波信号，可以在MC33886的输出端得到不同的电压，进而驱动电机，实现调速。

(3)测速模块

采用光电耦合管和自制的码盘作为测速的传感器。光耦合管的输出信号经过555定时器组成的斯密特触发器整形得到一定频率的矩形波信号，再经过DGl28的输入捕捉功能提取出小车的速度值。

(4)舵机转向模块

为了保证小车在转弯过程中既能快速响应，又防止速度过快冲出跑道，利用汽车转向机构原理，把舵机的位置进行了提升。这样可以增大力矩，使小车快速响应，按照轨迹进行快速转弯。

<strong>2 图像采集及处理</strong>

2．1 图像采集

常用的摄像头视频输出信号是电视机的PAL制式。它的工作原理与电视机的工作原理相似：在一定分辨率下，每秒扫描25帧图像，每帧图像含有625行信息；分为奇、偶场，隔行扫描；总共每秒50场信号，每场有312．5行信息；从奇数行开始扫描，即依次扫描第l、3、5、7、9……当扫描完奇数场后，再开始扫描偶数场，构成一帧图像。


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:12 上传
<strong>下载附件</strong> (7.72 KB)




</ignore_js_op>


对图像的采集是根据摄像头的行信号和场信号对图像模拟量的采集。如图2所示，输出信号包括行同步信号、场同步信号、图像信号以及各种消隐信号。行同步信号代表一行的图像数据扫描开始。场同步信号代表一帧的图像数据扫描开始。要完成图像的正确采集，必须严格遵守时序的要求：当捕捉到一行信号时，开始对该行各点的模拟量进行采集，当下一行信号发生时表明该行采集完毕，需要对下一行的模拟量进行采集。

由于MC9S12DGl28片内A／D采样频率的影响，每一行采集的点数受到了限制，在系统时钟倍频到24MHz，A／D每次采集时间为2．3μs的情况下，每一行图像的采集能达到34个点。这虽然远远小于摄像头本身的分辨频率，但在不使用2．8 mm广角镜头的前提下，仍能分辨出黑线，因此我们将数组列数设为34，同时每间隔6个摄像头行信号采集一次，一共有312个行信号，则一共可采集 312／6=52行。去掉首尾干扰加大的行，选择采集46行，因此数组的行数为46。最终，设定的数组大小为：data_savel[46][34]，还原效果如图3所示。


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:12 上传
<strong>下载附件</strong> (8.39 KB)




</ignore_js_op>


2．2 图像采集的处理方法

这里的黑色引导线以白色为衬底，因黑线和白色底板存在很多大灰度比，在图像信号上会形成相应高低不同的电压值。当检测到黑线时，图像信号中将形成一个“凹” 形槽，图4中凹槽处即是黑线在一行数据中的相对位置(26)。


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:13 上传
<strong>下载附件</strong> (22.1 KB)




</ignore_js_op>


对图像每行数据的处理将得到每行图像中黑线的相对位置，即下面的行数据处理；而对每行图像中黑线的位置的综合分析将再现黑线的形状，即下面的帧数据处理。本设计将采集的模拟量数据存放在一个二维数组中，当完成对一行数据的采集后，就可以对该行的数据进行处理，即提取黑线的算法。在提取黑线上采用边沿提取法。该算法具有对黑线反应灵敏、准确度高、抗干扰能力强等特点。

图5表示的是光线比较好的情况下，A／D采集一帧中一行图像的数值结果，即二维数组中的某一行数据。小圆点的纵坐标表示A／D采集值，横坐标表示采集点在二维数组该行中的相对位置。


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:13 上传
<strong>下载附件</strong> (5.03 KB)




</ignore_js_op>


边沿提取法，即通过程序检测到上述图形的上升沿和下降沿，然后通过上升沿和下降沿的位置求出黑线的位置。边沿提取算法流程：

①通过i控制循环语句不断检测上升沿或下降沿。当第i个点的A／D值与第i+2个点的A／D值之差大于设定的阈值时，表明出现了下降沿，这时读取i的值。

②一旦出现了下降沿，就开始不断地判断第i+2个点的A／D值与第i个点的A／D值之差是否大于设定的阈值。如果大于则表明检测到了上升沿，这时也读取i 的值。通过2次i的值，便能够求得黑线对应的点是第几个点，进而求出黑线与小车轴线的相对位置。其提取流程如图6所示。


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:14 上传
<strong>下载附件</strong> (18.11 KB)




</ignore_js_op>


通过判断下降沿位置和上升沿位置，来计算黑线的相对位置，并通过判断上升沿之后的数据是否满足相差不大于阈值来减小误差，以精确计算黑线的相对位置。

在光线比较好的情况下，简单地运用上述算法即可求得比较准确的相对位置，此时也不需要对阈值进行动态调整。当受到太阳光或其他比较强烈的光线影响时，就需要设置动态阈值。图7为光线不理想时图像的一种情况。

光线不好的情况下，采集的图像通常会出现图7中凸起的情形，这时，黑线提取算法的出错几率会大大增加。为了避免这种情况，可以根据图像的变化趋势将阈值附加上一个修正值。如图7，在进行下降沿检测时，可以在预先设定的阈值上减去一个数值，以克服凸起处的变形造成实际阈值的变小；上升沿检测时，可以在预先设定的阈值上加上一个数值，克服图像呈上升趋势带来的阈值变大。修正值的计算可以大致采用下式：


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:14 上传
<strong>下载附件</strong> (1.65 KB)




</ignore_js_op>



<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:15 上传
<strong>下载附件</strong> (5.77 KB)




</ignore_js_op>


2．3 图像帧数据的处理

经过黑线提取算法得到每一行黑线的位置，并存在一个一维数组里，通过这个数组就可以粗糙地控制小车转向。但摄像头可能会将黑线以外的其他物体错误识别成黑线，直接使用数组不能满足稳定性的要求，还需要对数组的数据进行进一步的处理，把干扰图像滤除，即这里所说的帧数据的处理。

在帧数据处理上采用提取连续段的方法，将图像中错误的数据去除掉。图8是把干扰图像误当成黑线的情况，虚线代表实际的黑线位置。


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:15 上传
<strong>下载附件</strong> (7.53 KB)




</ignore_js_op>


连续段提取算法的流程大致为：

①通过程序将图像中连续的段提取出来，提取的方法即通过i控制循环语句不断检验(Yi+1一Yi)的值是否大于设定的阈值。如果小于则表明第i个点和前面各点是连续的，否则和前面各点不连续。如图能够提取出3个连续的段，即连续段1、连续段2、连续段3。

②判断连续段的可靠性，判断的依据是连续段中的点越多表明该连续段越可靠，如图8，显然连续段1和连续段3比连续段2可靠。将可靠性好的段作为可用段，可靠性差的段作为不可用段。

③排除不可用段，将可用段连接起来形成一个大段。最后采用插补法，将不可用段归算到这个大段中。

用该方法得到的归算后的“大段”给下面循迹算法提供了依据。图像处理的稳定性，是小车循迹稳定性的前提条件。实验表明，该算法能够很好地满足稳定性的要求。

<strong>3 小车循迹算法</strong>

由于选用的摄像头的照射宽度比较小，使得算法上很难对赛道进行大面积的分析，因此循迹上，算法应该以适应性强为主。在舵机转向上采用3个变量来控制舵机的值：part_l、part_2、part_3。part_1对应图像的斜率，它是控制转向的主要变量；part_2对应小车相对于黑线的位置，是控制转向的辅助变量，它的目的是为了防止小车偏离引导线；part_3对应于转向的超前校正，它由图像前端的斜率求得。


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:15 上传
<strong>下载附件</strong> (4.75 KB)




</ignore_js_op>


/*line_data_refined内存储的数据为一帧图像数据处理后的黑线在每一行中的相对位置，“i‘代表采集的第i行，总共有46行。bottom为一帧图像归算后，整个连续段的最后一行；top 为一帧图像归算后，整个连续段的首行*/


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:15 上传
<strong>下载附件</strong> (9.92 KB)




</ignore_js_op>


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:15 上传
<strong>下载附件</strong> (12.55 KB)




</ignore_js_op>


3．1 part_l的求取

通过求黑线对于小车的平均相对位置的方法来控制转向，但这种方法具有灵敏度不高、适应性不强、小车侧滑时容易出错等缺点；最终采用了通过最小二乘法求图像的斜率，再由斜率求part_l值的方法。part_1即控制小车转向的主要变量。

如图9所示，通过最小二乘法求斜率，运用公式如下：


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:15 上传
<strong>下载附件</strong> (1.74 KB)




</ignore_js_op>


3．2 part_2的求取

因为图像的最近端和小车的前轮轴线之间仍有不可忽略的距离，因此摄像头最近一行的数据不能反映小车相对于黑线的距离。这里仍然通过最小二乘法的方法将图像延长到小车前轮轴线上(如图9)，这样就可以将最近一行的相对位置distance_photo归算为distance_near。dis- tance_near的值虽然和实际值仍有些误差，但经过实验数据分析，distance_near的误差在影响小车稳定性上程度比较小，比重也很小；它的最大优点就是能够反映小车相对于黑线的实际位置。


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:15 上传
<strong>下载附件</strong> (5.77 KB)




</ignore_js_op>


在求出distance_near后，就可以进一步求出part_2的值：

part_2=k2xdistance_near  （k2为常数）

3．3 part_3的求取

因为舵机的滞后性对小车的性能有很大影响，速度越高，舵机滞后性带来的负面影响就越大，在进入弯道就会出现侧滑出跑道的情况。为了避免这种情况的发生和提高小车运行速度，需要对舵机的联动机构及前轮机械结构进行调整，或者采用编程的方法使小车提前转向。part_3的引入即是第2种方法。part_3作为一个附加的校正值加在舵机上，它的大小与速度有关系，同时又与图像前端的斜率slope_front(图9)有关。关于part_3的计算如下：


<ignore_js_op>





2010-3-30 11:30:12 上传
<strong>下载附件</strong> (1.57 KB)




</ignore_js_op>


其中speed是小车的运行速度。


<strong>4 结论</strong>

本文以追求稳定性为前提，以提高小车行驶速度为目标，提出了一种抗干扰能力强的图像处理算法和一种通用性强、适应性强的小车循迹算法。

<strong>参考文献</strong>

1. 卓晴 学做智能车:挑战"飞思卡尔"杯 2007
2. 邵贝贝 单片机嵌入式应用的在线开发方法 2004
  
作者：天津工业大学 熊慧魏翼鹰黄加勇陈华伟
来源：单片机与嵌入式系统应用2009 (3)

xs19820727