基于視覺導航的移動機器人系統(tǒng)研究與設計

施永澤 王龍 劉杰 楊仟竹 肖宇峰

摘 要：本文主要設計基于視覺導航的的移動機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由TC377單片機作為控制核心、MT9V034數(shù)字攝像頭采集路徑信息、IMU660RA陀螺儀進行姿態(tài)解算、TOF測距模塊實時測距、速度編碼器來檢測電機轉速，作為速度環(huán)反饋信號組成。應用PID算法以提高姿態(tài)感知的準確性。通過多次仿真和實際路徑測試，成功實現(xiàn)了高速穩(wěn)定行駛，并能夠有效地應對多種復雜路徑信息的挑戰(zhàn)。

關鍵詞：視覺導航；姿態(tài)解算；數(shù)字攝像頭

一、視覺導航的移動機器人系統(tǒng)總體結構

本系統(tǒng)的核心控制單元選用了infineon公司生產的Tricore架構單片機TC377，作為整個系統(tǒng)的大腦。此外，系統(tǒng)配備MT9V034數(shù)字攝像頭，用于采集路徑信息，以實現(xiàn)對機器人姿態(tài)的判斷。編碼器用于檢測電機轉速，為速度環(huán)提供反饋。IMU660RA陀螺儀用于姿態(tài)解算，進一步提升姿態(tài)感知準確性。電感和激光測距模塊用于采集電磁信息和測距，輔助判斷路徑的坡道、路障等元素。在電機驅動模塊中，采用增量式PID算法完成對車速的閉環(huán)控制，通過PWM控制驅動電路調整電機功率；同時通過軟件設計的相關算法識別路徑各元素等。系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示。

二、視覺導航的移動機器人系統(tǒng)硬件設計

（一）傳感器電路設計

攝像頭選用的是逐飛科技的MT9V034總鉆風攝像頭，其用來檢測和采集路徑信息。所以在進行電路設計時，需要結合路徑情況盡可能通過硬件保證檢測的有效性和可靠性。攝像頭傳感器電路原理圖如圖2所示。

（二）驅動電路設計

驅動電路為移動機器人驅動電機提供控制和驅動，因此電機驅動的設計是硬件電路中非常重要的一部分。驅動電路我們采用的是IR2104和LM7843組成的H橋電路。驅動電路主要由隔離電路、柵極驅動電路、保護電路和H橋組成。驅動模塊部分電路原理圖如圖3所示。

三、視覺導航的移動機器人系統(tǒng)軟件設計

（一）路徑信息采集算法

首先在原始圖像的基礎上對圖像進行逆透視變換（Inverse Perspective Transformation）。接著使用大津法求出二值化閾值。大津法（Otsu's method），也稱為最大類間方差法，是一種自適應的圖像二值化方法，用于在圖像中自動確定最佳的二值化閾值。該方法基于圖像的直方圖信息，通過最大化類間方差來尋找最適合的閾值，以將圖像分為背景和前景兩部分。如下圖所示

（二）方向控制算法

在方向控制中，獲取到中線之后我們選取一個合適的預瞄點，并使用純跟蹤算法進行計算。純跟蹤（Pure Pursuit）控制，這是一種專門用于跟蹤預定路徑的控制方法。純跟蹤控制的思想是，差速車在每個時間步中計算出一個目標點，然后將車輛的移動方向調整為朝向該目標點，從而實現(xiàn)路徑跟蹤。

【參考文獻】

[1] 張香竹，張立家，宋逸凡，等.基于深度學習的無人機單目視覺避障算法 [J]. 華南理工大學學報 （ 自然科學版 ），2022，50（1）：101-108.

[2] 孫立香，孫曉嫻，劉成菊，等.人群環(huán)境中基于深度強化學習的移動機器人避障算法 [J].信息與控制 ，2022，51（1）：107-118.

課題項目：湖北汽車工業(yè)學院2023年度大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“基于英飛凌TC377的攝像頭智能車研究與設計”（DC2023047）。