【正文】 據(jù)全向輪的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，確定一套基于圖像處理結(jié)果的車位矯正方法。 設(shè)計(jì)一套具有較高識(shí)別性能的圖像采集濾波算法，能在較復(fù)雜的環(huán)境下采集出有用的信息。從而使小車實(shí)現(xiàn)向左的直行運(yùn)動(dòng)。也就是說，小車在行駛過程中將始終是一個(gè)朝向，這將大大增加 轉(zhuǎn)彎過程中的穩(wěn)定性和迅捷性，而且頗具觀賞效果。 “漂移者”隊(duì) 光電設(shè)計(jì)競賽國賽技術(shù)報(bào)告 撰寫人：陳賢、潘欽旭 結(jié)搞日期： 20xx/9/13 技術(shù)報(bào)告各部分 內(nèi)容 題目分析 理論方案 實(shí)物制作與組裝調(diào)試 實(shí)物競賽測試結(jié)果 自我總結(jié) 附件一： 圖像提取結(jié)果樣本 附件二： 程序說明 附件三： 偏軌與歪斜情況測試數(shù)據(jù)記錄結(jié)果 附件四： 小車保養(yǎng)與存放注意事項(xiàng) 1． 題目分析 在本項(xiàng)目的研究中，參賽成員需要在幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出一種能夠滿足賽題需要的，采用“全向輪”作為動(dòng)力輪組的小車系統(tǒng)，全向輪又稱“瑞典輪”，是如下所示的一種輪組： 圖 1：全向輪 這種輪子的特殊之處在于，在輪子的邊緣分布了一組與之垂直的小輪，從而獲得了兩個(gè)自由度，不僅可以像普通兩輪子一樣前后滾動(dòng)，而且可以側(cè)向平移。運(yùn)用該輪組之后，小車無需車身旋轉(zhuǎn)就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎行駛。 運(yùn)用該輪組后的小車的結(jié)構(gòu)簡圖及運(yùn)動(dòng)方式如下所示： 圖 2：小車運(yùn)動(dòng)方式簡圖 如上圖所示，小車向左運(yùn)動(dòng)， 上下兩側(cè)的全向輪作為主動(dòng)輪，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)輪子整體滾動(dòng)提供向左的推力；左右兩側(cè)的全向輪作為從動(dòng)輪，電機(jī)不轉(zhuǎn)，利用輪子邊緣分布的自由小輪的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輪子的側(cè)向滑動(dòng)。 采用這種全向輪設(shè)計(jì)之后，小車在轉(zhuǎn)彎過程中將不會(huì)改變車體朝向，的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作的完成過程如下所示： 圖 3：小車左轉(zhuǎn)示意圖 以上是本方案的基本實(shí)現(xiàn)方式，在方案的實(shí)施過程中，還會(huì)涉及到以下幾個(gè)關(guān)鍵問題，所有內(nèi)容將在后面幾部分做詳細(xì)介紹： 設(shè)計(jì)能夠成功使用“全向輪”進(jìn)行自由行進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，涉及到減震、穩(wěn)定性、配重等。 研 究出基于 OV7620 攝像頭的灰度圖像識(shí)別算法，確定小車的偏移、歪斜程度。 研究出合適的小車的入庫方法，做到精確、穩(wěn)定入庫。 在方案的實(shí)踐過程中，使用的 關(guān)鍵技術(shù)有如下 5 點(diǎn) ： 運(yùn)用 solidwork 設(shè)計(jì)基本的小車結(jié)構(gòu)，包括底盤、上盤等，需要有一定的加工材料的能力； 精通 MC9S12XS128 單片機(jī)的使用，熟練使用寄存器編程； 掌握 OV7620 攝像頭的使用方法，包括數(shù)據(jù)的采集與處理； 步進(jìn)電機(jī)的控制和選型方法； 算法設(shè)計(jì)； 以上是本項(xiàng)目的總體介紹，后文將對(duì)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。同時(shí)， 另一側(cè)輪組 （前后兩側(cè)）向左逐漸加速。 可以通過調(diào)整輪組加減速度的快慢來調(diào)整小車轉(zhuǎn)向的弧度 圖 4：小車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 需要注意 的是，上面的設(shè)計(jì)圖只是理論設(shè)計(jì)方案，最終做成的成品與設(shè)計(jì)圖中 仍有較大出入 。 檢測方案： 考慮到檢測系統(tǒng)的開發(fā)潛力與環(huán)境適應(yīng)能力。 后來由于“電子指南針”不屬于光電器件， 有違反比賽規(guī)則之嫌， 我們決定只采用攝像頭進(jìn)行環(huán)境檢測。雖然小車上裝有兩個(gè)攝像頭，但是小車在行進(jìn)過程中不會(huì)同時(shí)開啟兩個(gè)攝像頭，同一時(shí)間只有一個(gè)攝 像頭在采集數(shù)據(jù)，因此一個(gè)單片機(jī)是完全能夠滿足數(shù)據(jù)處理速度的 。 小車行進(jìn) 方案： 根據(jù)小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)和賽道要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下比賽方案：小車采用四個(gè)紅外避障為轉(zhuǎn)向標(biāo)志傳感器，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)彎標(biāo)志的判讀；攝像頭為賽道信息采集器，讀取小車的身形、位置信息。整個(gè)行進(jìn)過程如下圖所示： 圖 5： 小車行進(jìn)過程示意圖 小車入庫方案： 第一步：小車在平行過程中前方紅外避障管檢測到障礙物，此時(shí)小車開始進(jìn)入入庫程序； 第二步：小車減速平行一小段距離后（這段距離由程序延時(shí)精確控制），在車庫前停下 ，前方攝像頭利用車庫前的紅色賽道調(diào)整身形。 下圖是小車入庫過程的圖解： 圖 6： 小車入庫過程示意圖 2） 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 及討論 技術(shù)路線及可行性分析 ： 小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式的技術(shù)特點(diǎn)在前文中已經(jīng)介紹得較為詳細(xì)，所以在這一部分中，將著重介紹小車圖像處理 與電機(jī)控制 的 技術(shù)路線： 1） 圖像采集與處理 我們最終采用了雙攝像頭分別采集圖像的方案，下面對(duì)這種方案進(jìn)行具體介紹： 圖 7：攝像頭安裝示意圖 這是小車圖像采集方案的示意圖，圖中黑色的圓角正方形表示小車，綠色的部分表示小車的攝像頭，橙色的部分是小車的視野，紅色直線表示單側(cè)賽道，藍(lán)色箭頭表示小車運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)小車直行時(shí)，使用右側(cè)攝像頭采集右側(cè)賽道的數(shù)據(jù)，以此判斷小車的偏軌與歪斜程度；當(dāng)小車左行或右行時(shí)，使用前方攝像頭采集數(shù)據(jù)。 2） 電機(jī)控制 電機(jī)控制部分相對(duì)簡單，簡而言之，就是通過輸入驅(qū)動(dòng)模塊的脈沖頻率控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，用 邏輯電平控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。 為了獲得較高的轉(zhuǎn)速，需要按照一定的加速曲線逐漸加速，這樣才不會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，整個(gè)加速的過程一般在 之間。 我們希望通過對(duì)灰度矩陣的解讀，將矩陣中代表賽道的像素點(diǎn)賦值為 “ 1” ，將代表背景的像素賦值成為 “ 0” ，這樣就可以得到如“附件 1”中所示的由 “ 1” 和 “ 0” 構(gòu)成的圖像矩陣。對(duì)于這個(gè)問題， 我們先后采用了兩種方案： ① 閾值判斷法： 最初 我們采用的是閾值判斷 法： 賽道是紅色的，而背景地板則是黃色， 所以賽道的灰度值要明顯低于地板的灰度值，我們?cè)谝粡垐D像中設(shè)定好一個(gè)閾值，灰度值大于該閾值的像素我們賦值為 “ 0” ，小于該閾值的像素賦值為 “ 1” 。也就是說，在這張圖中可以很好地區(qū)分賽道和背景的灰度閾值，到下一幅圖中就不再適用了。而閾值的確定是基于大量實(shí)驗(yàn)觀察人工設(shè)定的，想讓小車做到自由閾值調(diào)整 幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。 以上兩個(gè)原因使閾值判斷法不能夠用于實(shí)戰(zhàn)，經(jīng)過認(rèn)真考慮后，我們最終設(shè)計(jì)出了差值判斷法，解決了這一問題，下面簡要介紹這種方法。這種方法可以有效去掉陰影以及不太亮的反光的影響， 因?yàn)檫@些雜點(diǎn)的邊緣往往是漸變的，差值法會(huì)自動(dòng)無視這些雜散點(diǎn)。 4） 幾種主要的濾波方式 我們主要采用了兩種濾波方法，第一種是靜態(tài)濾波和動(dòng)態(tài)濾波。如果一個(gè) 1的左邊和右邊都是 0，那么，就強(qiáng)行將這個(gè) 1 賦值成 0。 而最重要的濾波方法是 動(dòng)態(tài)濾波，其思路是 ： 在圖像的左端開始分析，找到圖像中賽道的最左端，然后以此為起點(diǎn)，劃定一個(gè)小型的區(qū)域范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)掃描賽道信息，找到賽道信息之后，再以此新的賽道信息為起點(diǎn)繼續(xù)劃定范圍，以此類推??也就是說，采集過程是動(dòng)態(tài)的，判斷出賽道的一端之后，接下來就沿著賽道不斷向后推，最終掃描出賽道全貌（事實(shí)上，人眼在具有較多雜散斑時(shí)也是采用這種方式區(qū)分出賽道的） 。 可以說，第一種濾波 只能夠 將小型的雜點(diǎn)濾掉，而第二種濾波則可以將 較大的陰影、反光等成功濾去，兩者相結(jié)合，確保了我們的圖像采集濾波程序的 穩(wěn)定 性 和適用范圍 。下面簡要介紹判定方法： 如下圖所示，我們?cè)谝环?01矩陣 中掃描固定的 4列像素，這四列像素的間距是相等的，每一列都由上往下掃描，直到掃描到 “ 1” ，記錄這一點(diǎn)的行值和列值。如下圖所示： 圖 12：正常情況下賽道 信息采樣 示意圖 上圖中顯示的是最正常的情況，取到的 4 個(gè)點(diǎn)水平分布在圖像的中央，表明此時(shí)既無偏軌也無歪斜。 圖 14：歪斜 情況下賽道 信息采樣 示意圖 上圖所示的情況中，四個(gè)點(diǎn)的行值之間有所差異，所以可以判斷出此時(shí)小車出現(xiàn)歪斜，但是對(duì)四個(gè)點(diǎn)的行值取平均之后發(fā)現(xiàn)，平均值剛好在圖像中央附近，所以無偏軌情況，這是一種只有歪斜而無偏軌的狀態(tài)。 由上面的四種情況可以看出，我們是根據(jù)四個(gè)點(diǎn)的行值來判斷此時(shí)小車的狀態(tài)的，由行值之間的差值的大小可以判斷小車歪斜的程度，而差值的正負(fù)可以判斷小車歪斜的方向；而由行值的均值可以判斷出小車此時(shí)是否發(fā)生了偏軌。 6） 軌道調(diào)整思路 我們通過分析得到四個(gè)點(diǎn)的行均值與圖像中央水平線之間的差值（反映偏軌情況），也得到四個(gè)點(diǎn)相互之間的行差值（反映歪斜情況），分別建立這種兩差值與偏軌調(diào)整 函數(shù)、歪斜調(diào)整函數(shù)之間的線性關(guān)系。 ① 偏軌調(diào)整： 小車偏軌調(diào)整示意圖如下，圖中的小車，左右輪為動(dòng)力輪組，驅(qū)動(dòng)小車向前運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中小車出現(xiàn)了偏向左側(cè)的情況。偏移的程度不一樣，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也不同 。此時(shí)的調(diào)整方法為，小車 后方的 輪組向右轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度 ，前方的輪組向左轉(zhuǎn)動(dòng) 一定角度，使小車 實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，糾正其歪斜的情況 。 圖 17：小車歪斜調(diào)整過程示意圖 ③ 當(dāng)歪斜和偏軌同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，小車 將 先糾正 偏軌，再糾正歪斜。 調(diào)整中用到的具體參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況多次試驗(yàn) 得到， 因?yàn)?不同光滑程度的賽道，其相同偏移量下要求的轉(zhuǎn)動(dòng)角度也不盡相同。在攝像頭的實(shí)際使用過程中我們發(fā)現(xiàn)，其采集到的圖像有微弱的筒形畸變，但是經(jīng)過大量數(shù)據(jù)測試之后 可以證明 ，這種畸變對(duì)判斷結(jié)果的影響可以忽略，所以就繼續(xù)沿用 這種判斷 和調(diào)整 方法。這是因?yàn)槲覀冊(cè)陧?xiàng)目實(shí)施過程中根據(jù)實(shí)際情況更改過兩次方案，同時(shí)在比賽的準(zhǔn)備過程中，我們又購買了很多備用器件，算上使用過程中器件的損耗，再加上比賽期間過往的路費(fèi)，導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目做下來開銷很大。 時(shí)間進(jìn)度安排 ： 3 月 5 日 3 月 18 日：購買關(guān)鍵組件，根據(jù)組件尺寸規(guī)格，完成機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路初步設(shè)計(jì)。 4 月 1 日 4 月 20 日：完成基本程序的編寫，拿到加工好的機(jī)械零件，組裝完成小車的各機(jī)械部件。 5 月 10 日 5 月 20 日：開始進(jìn)行第一輪調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果調(diào)整程序并適時(shí)更改方案，參與校級(jí)比賽。 7 月 10 日 8 月，進(jìn)行第三輪輪的調(diào)試，赴溫州參與國家級(jí)比賽。原因包括：大三課程比較緊張，能用于競賽的時(shí)間有限；實(shí)際過程中遇到的問題很多是方案中沒考慮到的，導(dǎo)致我們先后更改了兩次方案，最后一次更改是在 7月下旬 ，這樣一來，調(diào)試的時(shí)間就幾乎沒有了。 3． 實(shí)物制作 與組裝調(diào)試 1） 器件與材料 本項(xiàng)目中，使用的主要硬件器材有： 圖 18：小車使用的主要零件 底盤采用的是 透明 PVC塑料板，具有質(zhì)量輕、韌性好的優(yōu)良特性；缺陷是耐沖擊力不夠，在發(fā)生碰撞時(shí)容易碎裂，同承重時(shí)易發(fā)生形變，底盤出現(xiàn)內(nèi)凹現(xiàn)象。 7） 組裝方案 我們前后更改了兩次方案 ，每一次都對(duì)小車的組裝方式進(jìn)行了更改，下面將對(duì)三種組裝方案進(jìn)行介紹： 方案一： 由于校賽安排在 5 月份，準(zhǔn)備時(shí)間非常緊張，沒有 充足的 時(shí)間 進(jìn)行攝像頭方面的技術(shù)探索，所以在校賽時(shí)我們采用了激光一體傳感器作為賽道的檢測方式，電機(jī)采用的是直流電機(jī)。 方案二： 省賽準(zhǔn)備過程中我們攻克了攝像頭的采集和處理技術(shù)，將兩組攝像頭安裝在了小車上，安裝 布局詳見方案介紹部分中的“圖像采集與處理”部分。確定攝像頭高度之后，使用視頻采集卡觀察攝像頭的視野內(nèi)的賽道，然后的 調(diào)節(jié)攝像頭傾角，使賽道呈現(xiàn)為視場中央的一條直線（ 如圖 6 所示 ），最后用熱熔膠固定攝像頭。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)采用不同占空比的 PWM波調(diào)速， 而 在本方案中，電機(jī)是對(duì)策安裝的，前進(jìn)時(shí)左右兩輪的直流電機(jī)需要一個(gè)正轉(zhuǎn)，一個(gè)反轉(zhuǎn)， 在 同樣的 PWM 波占空比下，直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)速度可能不同，而這種速度差異往往由制造過程中的偶然因素影響，很難控制；而且，隨著電池耗電量的增加，驅(qū)動(dòng)能力下降，同一電機(jī)的在不同時(shí)間采用同樣占空比的 PWM 波控制，其轉(zhuǎn)速可能也是不一樣的。如果要解決這一問題，必須考慮更改方案。 方案三： 本 方案使用攝像頭作為檢測器件，同時(shí)采用步進(jìn)電機(jī)為小車提供動(dòng)力，使小車既能夠達(dá)到較高的檢測靈敏度，同時(shí)兩側(cè)的動(dòng)力輪組也擁有極強(qiáng)的同步性，解決了直行的問題。小車的重量增加了很多，而步進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)速較快的情況下扭矩會(huì)顯著下降，容易出現(xiàn)帶不動(dòng)小車的情況。 最終完成后小車的照片如下 面三張照片 所示： 圖 21：正面 45176。 ②測 試歪斜調(diào)整功能： 同樣是將小車墊高，放置于賽道中央，觀察其在順時(shí)針歪斜和逆時(shí)針歪斜的情況下輪組是否能夠正常調(diào)整。 ④ 測試轉(zhuǎn)向功能： 在道路中擺放轉(zhuǎn)彎標(biāo)志，觀察小車能否正常拐彎。 ⑥ 入庫功能測試： 測試小車入庫的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。 但是由于 到后來 時(shí)間 非常的緊張 ，入庫功能測試的時(shí)間很少，導(dǎo)致入庫功能非常不穩(wěn)定，有一定的失敗幾率，這為我們 這次 比賽時(shí)的失利埋下了伏筆。 省賽賽道 總體 測試方案： 省賽之后，省賽賽道成為了我們隊(duì)賽前調(diào)整的主要場地。在這里我們主要完成小車的基本能力測試，要求小車能夠達(dá)到比賽基本的要求 。 國賽賽道總體測試方案：國賽賽道是比賽時(shí)實(shí)際使用的賽道，必須在國賽賽道上進(jìn)行足夠的測試。 通過國賽實(shí)地場地測試我們發(fā)現(xiàn)的需要解決的問題有： ① 照明不足的情況下 ，賽道信息提取會(huì)有一定的困難； ② 場地使用自然光照明，無濾光片的情況下無法分辨賽道； ③