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。 、
