信息技术推广 国科埠信息201 5年曼(] 辑CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY jNFORMATION Jan.201 5 杨庆文 中国二冶集团有限公司电气设备安装工程公司 杨庆文 杨庆文(1967年7月一)汉,辽宁鞍山,电气高工,本科,电气控制。 本文旨在探讨两轮自平衡智能车精确识别路径的方法,其在采用曝光时间自适应方法提高TSL1401CL线性CCD采柏 精度的基础上,针对两轮自平衡智能车的行进姿态,由MC9S12XS128单片机根据轮轴与路径的水平夹角控制左电机与茬 电机;通过左电机与右电机的速度差实现两轮自平衡智能车的直行与转弯,完成路径精确识别。该方法具有解析度与智能‘l 程度高、速度快、实用性强等特点。 DOI:10.3969/j.issn.1001—8972.2015.02.040 基于线性CCD的智能车路径识别方法 引言 目前,两轮自平衡智能车以具有广阔前景的汽车电子 为背景,涵盖了人工智能、信号处理、计算机科学、通信、 实际应用中,由于外部环境光线情况对线性CCD的 输出信号影响比较大,故须使线性CCD适应各种环境, 并且具有较高的采集精度。本文采用两种工作方式调节满 足适合各种环境光线的线性CCD的采集精度:当环境光 控制与自动化等科学领域,并已广泛应用于军事侦察、环 境探测、故障检测、管线泄漏、安保等许多领域。两轮自 平衡智能车作为移动机器人的一个分支,具有转动灵活、 车体结构轻巧、驱动功率小等特点,其组成系统比较复杂 但相对容易实现。基于上述原因,两轮自平衡智能车已成 为国内外有关研究机构的研究热点。两轮自平衡智能车能 实现智能循迹就是在复杂路况下通过智能控制方法绕开障 线较强时,采用闭环控制实时调整线性CCD曝光量;当 环境光线较弱时,对线性CCD采集的路径信息通过可变 增益的运算放大器进行放大。单片机根据环境光线的实时 情况控制线性CCD进行两种工作方式的切换。本文中, 采用闭环控制实时调整的线性CCD曝光量取决于线性 CCD的镜头光圈与曝光时间,由于线性CCD的镜头光 圈无法控制,故通过控制线性CCD的曝光时间调整曝光 量。曝光时间自适应方法示意图如图2所示。 碍物并沿预定轨迹行进。本文通过对线性CCD的控制实 现两轮平衡智能车对路径的精确识别,确定两轮平衡智能 车两轮轴中心的路径偏移量,以差速方式分别控制两轮轴 对应的电机,实现差速循迹行走。 控制中心组成结构 如图1所示,两轮自平衡智能车由控制中心实现路 径的精确识别,该控制中心由线性CCD与单片机组成。 本文选用TSL1401 CL线性CCD采集路径信息,选用 MC9S1 2XS1 28单片机控制线性CCD曝光量、处理采 集的路径信息,并根据路径信息采用PWM方式控制左 电机驱动与右电机驱动。TSL1401CL线性CCD内部 集成了并行的1 28个像素构成的阵列,每个像素点均有 3524.3平方微米的光敏区域。MC9S12XS128单片机 为16位单片机,且具有1个8路12位精度A/D转换器。 本文中,两轮自平衡智能车行驶路径由两条对可见光与不 可见光均具有较强吸收性的黑带构成,两条黑带为路径边 图1 两轮自平衡智能车路径识别部分总框图 缘线,且该路径具有特定几何尺寸、摩擦系数及光学特性。 控制中心控制方法 曝光时间自适应方法 图2曝光时间自适应算法示意图 CHINASCIE NC—E e 9 IEcHNOLOGY INFORMATION~Jan.201 5 _中国 壤傅璺 1.5 年1笋 期 信息技术推广 本文中,PID调节采用如下公式: u(k):Kpe(k)+ ∑ +Kd【e(k)-e(k—1)】 删 (1) / ~~、、{ | |/: 上式中,参数Kp=45~57,Ki=2,Kd=8~10。 ● 路径识别方法 线性CCD采用周期扫描方式获取路径信息,路径信 息包括线性CCD前瞻距离L、两条黑带内侧之间f ̄,9llE离 d、线性CCD视线偏离竖直方向的角度a、线性CCD 视线范围最大角度 、线性CCD 1 28个扫描点覆盖长度 十 , / ● ● M/ /--一 一 e (a) (b) CD、两轮子平衡智能车的轮轴与路径的水平夹角0、路 径的路径宽度e、单位扫描时间内智能车前进速度v、线 性CCD单位扫描时间内捕捉到的两条黑带外侧与内侧的 边缘标志点数分别为a与b、一个完整单位扫描时间后线 性CCD捕捉到的黑带边缘标志点数m、单位扫描时间内 黑带外侧边缘点偏移圆心角y、路径弯道半径R,单位 扫描时间内智能车前进距离CG,线性CCD的扫描单位 时间△t。上述各参数之间的关系如图3所示。 为提高信号处理速度与控制精度,MC9S l 2×S 1 28 单片机首先对线性CCD采集到的上述路径信息进行二值 化处理;其次,MC9S12XSl28单片机根据上图,得到 荪 、下列关系: 、 。 L=Htana 泰 f 2) cD:—2Htan( ̄p/2) —(3) COS d: : ! 127 (4) cosg=导 d (5) :c6=vxAt (6) zY: :兰! 里 (7) 127 AY:4AZ +ZY (8) 显 y ¥矸 zY (9) YW::_lnr 2 (10) 根据式(2)(3)(4)(5)可得轮轴与路径的 水平夹角e=arcc。s. 127ecos ̄i .];根据式(2)(6) (7)(8)(9)(10)可得At内路径弯道半径 R:—(127eosaVA}2+[2H——(m -a)tan ( ̄/2]2—508H —COSa(m一口 tan( ̄/2 。其中,二值化处理率一 ’ (C) (d) 图3路径参数关系示意图 ,1 十 的阈值为取128个采样点平均值的 倍,0<A<1 H 为线性CCD的安装高度。 MC9S 1 2XS 1 28单片机根据轮轴与路径的水平夹角 e、△t内路径弯道半径R控制两轮平衡智能车的行进:当 轮轴与路径的水平夹角e=0。时,两轮平衡智能车直立行 走;当轮轴与路径的水平夹角e≠o。且△t内路径弯道半径 R较大时,MC9S 1 2XS 1 28单片机通过控制左电机驱动 与右电机驱动对应驱使左电机与右电机,实现两轮平衡智 能车缓慢转弯:当轮轴与路径的水平夹角6≠0。且△t内路 径弯道半径R较小时,MC9S12X¥128单片机通过控制 左电机驱动与右电机驱动对应驱使左电机与右电机,实现 两轮平衡智能车快速转弯。 结语 本文基于对线性CCD曝光量的控制提高了线性 CCD的采样精度,并采用上述路径识别方法获取两轮平 衡智能车的实时行进姿态,根据该实时行进姿态判断路径 为直行路或弯路,并根据实时姿态的轮轴与路径的水平夹 角、单位扫描时间内实时路径弯道半径确定转弯的速度大 小,从而,两轮平衡智能车精确实现了路径识别。本文基 于线性CCD的智能车路径识别方法具有非接触检测、解 析度与智能化高、精度高、速度快等特点,具有很强的实 用性。 、