基于摄像头检测的自动导航系统、控制方法及直立平衡车的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自动导航系统，尤其是一种基于摄像头检测的自动导航系统、控 制方法及直立平衡车，属于信息技术、自动化技术、自动导航技术、自平衡技术等技术领域。
【背景技术】
[0002] 自动导航技术一直是人们研宄的热点之一，目前传统的自动导航技术系统多采用 1)GPS系统导航2)光电传感器3)电磁传感器；采用GPS导航的系统，由于民用GPS定位精 度的及数据采样速率的限制，经常出现"漂移"的现象，导致控制滞后、控制精度低、实时性 差的后果；采用光电传感器及电磁传感器进行导航的系统，其采样速率虽然较高，测量精度 好，但光电传感器与电磁传感器是"线" "点"式测量，即"单维"测量，不能对路面的整体特 征进行测量，导致系统只能测量当前路面状态而难以获取未来路面状态。
[0003] 传统自平衡车采用8MHz的8位单片机，运算精度低、运算速度慢、采样速率慢。同 时，目前自动导航系统多应用于四轮车上，四轮车由其四轮的特性，决定了其移动不灵巧、 转向不方便的特点。
[0004] 随着自平衡车技术的发展，自平衡车将在许多场合扮演重要的角色，但使用摄像 头进行自动导航的自平衡车技术尚属空白。另外，传统的自平衡车采用的单轴姿态算法较 三轴姿态算法在安全性上稍显不足。
【发明内容】
[0005] 本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于摄像头检 测的自动导航系统，该系统能够有效预测前方路况，进行更加有效的预测控制，提高了控制 精度。
[0006] 本发明的第二个目的在于提供一种上述自动导航系统的控制方法。
[0007] 本发明的第三个目的在于提供一种直立平衡车。
[0008] 本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0009] 基于摄像头检测的自动导航系统，所述系统包括直立平衡数据采集模块、摄像头 数据采集模块和信号处理及控制模块，所述直立平衡数据采集模块、摄像头数据采集模块 分别与信号处理及控制模块连接；其中：
[0010] 所述直立平衡数据采集模块，用于通过MU传感器采集的数据获取直立平衡车的 当前姿态角数据；
[0011] 所述摄像头数据采集模块，用于通过摄像头传感器采集跑道的灰度图像数据；
[0012] 所述信号处理及控制模块，用于通过嵌入式计算机收集、存储和处理跑道的灰度 图像数据、直立平衡车的当前姿态角数据、直立平衡车的当前车速及差速数据，以及根据直 立平衡车的当前姿态角数据，对直立平衡车进行平衡控制。
[0013] 作为一种优选方案，所述信号处理及控制模块包括：
[0014] 平衡控制单元，用于根据获取的当前姿态角数据，对直立平衡车进行平衡控制；
[0015] 图像处理单元，用于对采集的跑道灰度图像数据进行计算处理。
[0016] 作为一种优选方案，所述MU传感器由L3G4200陀螺仪和MMA8451加速度计组成， 所述陀螺仪和加速度计通过IIC总线与嵌入式计算机连接。
[0017] 作为一种优选方案，所述摄像头传感器采用图像传感器0V7620,并通过DMA通道 与嵌入式计算机连接。
[0018] 作为一种优选方案，所述嵌入式计算机采用飞思卡尔公司Kinetis MK60DN512系 列MCU构成。
[0019] 本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0020] 基于上述自动导航系统的控制方法，所述方法包括：
[0021] S1、MU传感器中陀螺仪和加速度计的数据通过IIC总线输入嵌入式计算机，嵌入 式计算机通过对加速度计数据的反三角函数运算，结合陀螺仪数据的积分数据，进行一阶 低通滤波，得到当前置信度，解算出直立平衡车的当前姿态角数据；同时，摄像头传感器的 数据输入嵌入式计算机，获取跑道的灰度图像数据；
[0022] S2、在嵌入式计算机中，平衡控制单元将嵌入式计算机解算出的姿态角数据代入 PID控制器，控制直立平衡车的电机运转实现直立平衡车的平衡控制；同时，图像处理单元 对嵌入式计算机获取的跑道灰度图像数据进行动态二值化处理，识别出特定的使用以黑线 为边缘的跑道，通过对跑道的边界进行边缘特征计算，得到跑道的路况，并通过嵌入式计算 机向直立平衡车的电机发出差速信号，从而实时跟踪轨道。
[0023] 作为一种优选方案，步骤S1所述嵌入式计算机对姿态角数据的解算，具体如下：
[0024] 静态姿态角解算按下列公式计算，解算出的姿态角为横滚角、俯仰角两个姿态：
[0027] 其中，ax，ay，az为正交的三轴加速度数据，中〇:为静态俯仰角，P。为静态横滚角，设 置a y与电机轴正交，则有效静态姿态角数据为斗。:角；
[0028] 加入陀螺仪数据《做动态数据融合，取《x与电机轴平行，则融合后的动态俯仰 角为：
[0030] 其中，Confidence^。为陀螺仪的置信度，Confidence _6为加速度计的置信度。
[0031] 作为一种优选方案，步骤S2所述PID控制器按下列公式计算：
[0033] 其中，Kp为控制器比例增益系数，L为控制器积分系数，Kd为控制器微分系数，e为 误差；
[0034] 使用嵌入式计算机控制时作离散化：
[0036] 其中，e为姿态角偏离平衡角度的数值，u为直接输出到电机的占空比，ek和ek_^ 别表示k和k-1时刻的偏差。
[0037] 作为一种优选方案，步骤S2所述动态二值化采用Bernsen算法，该Bernsen算法 描述如下：
[0039] 其中，f(i，j)为图像在像素点（i，j)处的灰度值，T(i，j)为图像中各个像素点 (i，j)的二值化阈值；
[0040] 对图像中各像素点（i，j)用二值化函数b(i，j)逐点进行二值化，b(i，j)函数如 下：
[0042] 经二值化后的图像，其跑道边缘将会有一个强烈的上升沿，通过嵌入式计算机识 别该上升沿的跳变即识别出跑道边缘。
[0043] 本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0044] 直立平衡车，包括车体、左车轮、右车轮以及电机，所述左车轮和右车轮设置在车 体的底部两边，所述电机带动左车轮和右车轮运动，还包括上述自动导航系统；其中，所述 IMU传感器和嵌入式计算机设置在车体内，所述摄像头传感器设置在车体顶部，所述嵌入式 计算机与电机连接。
[0045] 本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
[0046] 1、本发明的自动导航系统采用摄像头进行平面式的导航，能够有效预测前方路 况，进行更加有效的预测控制，提高了控制精度；此外，得益于頂U传感器的采样速率及嵌 入式计算机的处理速率，控制精度也大幅提高。
[0047] 2、本发明的自动导航系统可以对获取的跑道灰度图像数据进行动态二值化处理， 识别出特定的使用以黑线为边缘的跑道，通过对跑道的特征计算，得出跑道的转向特征、直 线特征、十字特征等路况，并通过嵌入式计算机向直立平衡车的电机发出差速信号，即可对 给定的跑道进行实时检测跟踪。
[0048] 3、本发明的自动导航系统可以应用在直立平衡车上，与传统的四轮车相比，更加 轻便、灵巧，在能耗方面，而且由于直立平衡车的自身特点，其能耗相对而言也比四轮车低。
[0049] 4、本发明的直立平衡车轻便、安全、环保，由于应