一種智能汽車(chē)競(jìng)賽的燈塔檢測(cè)及路徑規(guī)劃方法

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(shí)訓(xùn)中心，上海 201620）

0 引言

全國(guó)大學(xué)生“恩智浦”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽由教育部高等教育司委托教育部高等學(xué)校自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主辦、以智能汽車(chē)為研究對(duì)象的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽，是面向全國(guó)大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)。該競(jìng)賽過(guò)程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制作、整車(chē)調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)比賽等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同工作，初步體會(huì)一個(gè)工程性的研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程。2018年第十三屆“恩智浦”杯智能車(chē)競(jìng)賽中，設(shè)立信標(biāo)對(duì)抗組競(jìng)賽。本文分析了智能汽車(chē)如何識(shí)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(chē)模開(kāi)始位于發(fā)車(chē)區(qū)域內(nèi)，此時(shí)所有的信標(biāo)都是熄滅狀態(tài)。開(kāi)始比賽后，比賽系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)啟動(dòng)第一個(gè)信標(biāo)，信標(biāo)會(huì)發(fā)送聲比賽計(jì)時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)車(chē)區(qū)光導(dǎo)引信號(hào)。此時(shí)選手的車(chē)模能夠識(shí)別確定信標(biāo)的方位并做定向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)車(chē)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(huì)自動(dòng)切換點(diǎn)亮到下一個(gè)信標(biāo)，車(chē)模隨機(jī)前往第二個(gè)點(diǎn)亮的信標(biāo)。此過(guò)程將會(huì)依次進(jìn)行10次左右。最終比賽時(shí)間是從當(dāng)一個(gè)信標(biāo)點(diǎn)亮，到后一次信標(biāo)熄滅為止。比賽場(chǎng)地示意圖如圖1所示。

圖1比賽場(chǎng)地示意圖

1 系統(tǒng)概述

智能車(chē)的整個(gè)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(chē)的工作模為：攝像頭采集賽場(chǎng)上的圖像輸入單片機(jī)K60，經(jīng)過(guò)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(hào)到舵機(jī)，控制舵機(jī)打角使車(chē)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(shí)時(shí)反饋脈沖信號(hào)到K60，K60經(jīng)過(guò)FTM模塊正交解碼得到左右后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而使用PID控制算法對(duì)車(chē)速進(jìn)行控制，控制途徑為通過(guò)PID控制算法計(jì)算出正確的車(chē)速，再由K60輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)到半橋驅(qū)動(dòng)器IR2104。通過(guò)以上過(guò)程實(shí)現(xiàn)了智能車(chē)的閉環(huán)控制，完成整個(gè)比賽過(guò)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(hào)

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(pán)。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(pán)上、支持燈罩。比賽場(chǎng)地內(nèi)的藍(lán)色背景布鋪設(shè)在底盤(pán)上面，底盤(pán)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(chē)競(jìng)賽組委會(huì)為了拓展廣大參賽學(xué)生的思想深度及增加競(jìng)賽的多元性，使得信標(biāo)燈塔有了多種信號(hào)組合的多種方式的引導(dǎo)方式。信標(biāo)燈塔在點(diǎn)亮后會(huì)同時(shí)發(fā)送10Hz的紅色與紅外信號(hào)。信標(biāo)燈塔紅光與紅外信號(hào)波形如圖4所示。

3 引導(dǎo)信號(hào)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(gè)賽道場(chǎng)地的信息，故選擇了可以監(jiān)測(cè)視野廣闊的全局?jǐn)z像頭MT9V032來(lái)采集場(chǎng)地信息。MT9V032拍攝一幀圖像的大小為180×120個(gè)灰度（0-255）像素點(diǎn)，設(shè)置的參考幀率為50幀/秒。圖5所示為MT9V032攝像頭輸出時(shí)序圖。

圖4信標(biāo)燈塔紅光與紅外信號(hào)波形圖

圖5 MT9V032輸出時(shí)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(chǎng)環(huán)境?；叶葓D像含有賽場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜的信息，需要對(duì)灰度圖像再進(jìn)行二值化處理，即將復(fù)雜的圖像簡(jiǎn)化。將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過(guò)選取適當(dāng)?shù)拈撝岛笫沟盟行∮谠撻撝档南袼攸c(diǎn)為黑色，則所有大于上述閾值的像素點(diǎn)為白色，所以最終的圖像為一幅黑白二值圖像。然而賽場(chǎng)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(shí)時(shí)調(diào)節(jié)閾值算法，從而更好地適應(yīng)賽場(chǎng)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(jì)算

通過(guò)采集信標(biāo)燈塔發(fā)出的紅外信號(hào)來(lái)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(guò)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(gè)不規(guī)則的圓形光斑。圓形光斑通過(guò)逐行逐列掃描120行×180列的圖像，記錄并存儲(chǔ)白色像素點(diǎn)。對(duì)于圓形光斑，可以采用圖像簡(jiǎn)化的方法，通過(guò)選取圓形光斑最寬行、最寬行的中間列，確定出圓斑中心點(diǎn)，從而把圓斑簡(jiǎn)化為一個(gè)白點(diǎn)。由此算出的信標(biāo)燈塔的代替點(diǎn)較為穩(wěn)定，且不易跳動(dòng)，且跳動(dòng)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(jì)算示意圖。

圖7信標(biāo)燈塔位置計(jì)算

3.4 路徑規(guī)劃策略

信標(biāo)場(chǎng)地不同于傳統(tǒng)的賽道組，沒(méi)有明確的路徑指向性，只能以點(diǎn)亮的信標(biāo)燈塔作為大致的循跡方向，后來(lái)考慮到路徑正對(duì)信標(biāo)燈塔中心時(shí)會(huì)因?yàn)檐?chē)速過(guò)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(hào)路徑。

圖8繞行滅燈方式

4 結(jié)語(yǔ)

如何精確地檢測(cè)點(diǎn)亮的信標(biāo)燈塔并迅速控制小車(chē)向著最短的路徑滅燈對(duì)于信標(biāo)對(duì)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(cè)方法及最短路徑規(guī)劃在第十三屆“恩智浦杯”智能汽車(chē)競(jìng)賽中得到實(shí)際的應(yīng)用并取得了一定的成績(jī)，經(jīng)檢驗(yàn)為一種有效的檢測(cè)信標(biāo)燈塔、合理規(guī)劃路徑的方法。