专利名称：一种用于赛道的摄像头智能循迹车模的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种车模，特别涉及ー种用于赛道的摄像头智能循迹车摸。
背景技术：
智能循迹车模按照传感器来分一般可分为光电、摄像头和电磁(需要专门布线)循迹车摸。车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路径检测的属于电磁传感器方式；车模通过采集赛道图像(ー维、ニ維)或者连续扫描赛道反射点的方式进行进行路径检测的属于摄像头方式；车模通过采集赛道上少数孤立点反射亮度进行路径检测的属于光电传感器方式。
对于摄像头循迹车模，可以分为供能系统，信号采集系统，中央处理系统，执行系统。其中供能系统为其他系统供电；信号采集系统通过摄像头采集图像信息，并传输到中央处理系统；中央处理系统对图像信息进行处理，一般通过ー个固定的阈值，将灰度图像转化成ニ值化的图像，并对ニ值化图像进行处理，计算出期望的车速和方向，控制马达的转速和舵机的转角；执行系统包括车轮、舵机和驱动马达，舵机控制前轮转角，驱动马达控制后轮转速。对于现有的摄像头循迹车模，存在以下问题I、使用固定前瞻，即对每幅图像取同一行的数据来计算偏移量，控制电机和舵机，没有充分发挥摄像头采集信息量大的优点，对于不同曲率的弯道适应性差。2、整幅图像采用ー个固定的阈值进行ニ值化，在远处容易出现边界模糊从而影响赛道信息提取。3、对于清晰的图像处理起来可靠性比较高，但是一旦图像边缘出现模糊，丢线的情况就容易误判断，导致车子乱跑出线的情况，对于远处失真严重的地方不能很好的处理。4、采用传统的PID控制，通过对ー个设备调试ー套PID參数来实现舵机和电机的控制，这种方法太过笼统，且參数选定调节非常困难，没有仔细的分析模型就套用了公式，控制冗余。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的用于赛道的摄像头智能循迹车摸。本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种用于赛道的摄像头智能循迹车模，包括供能系统，信号采集系统，中央处理系统，执行系统；其中供能系统为其他系统供电；信号采集系统通过摄像头采集图像信息，并传输到中央处理系统；中央处理系统对图像信息进行处理，通过偏移量即车中轴线与赛道中轴线之间的距离控制马达的转速和舵机的转角，进而控制车的速度和方向；执行系统包括车轮、舵机和驱动马达，舵机控制前轮转角，驱动马达控制后轮转速；所述的中央处理系统包括以下处理步骤一、对从信号采集系统收集的灰度图像ニ值化；
ニ、对ニ值化后的图像进行边线提取；三、根据提取的边线进行赛道类型识别，并确定车模前进的方向(I)首先比较车宽和整幅图像中赛道左右最内边缘之间的宽度，如果赛道左右内边缘之间的宽度比车宽大则可以直线通过，选择赛道左右内边缘中点和车模中心的连线作为车模前进的最佳方向；(2)如果不能直线通过，进行最优路径选择，从图像最远处的一行向近处搜索在一行中通过赛道边界计算赛道中心坐标，对赛道中心坐标和车模中心的连线向两边补偿车模宽度，如果补偿后的区域超过了赛道的边界，则搜索下一行，从而从远及近找到第一个满足车模可以通过而不超过边界的行，这一行赛道中心坐标和车模中心的连线即为车模前进的最佳方向；
四、通过计算车模前进最佳方向和车模实际前进方向之间的夹角，控制舵机实现对方向的控制；五、通过偏移量得到车模的期望速度，控制驱动马达实现对速度的控制。有益效果本发明提供了一种改进的用于赛道的摄像头智能循迹车模，能够充分利用整幅图像的信息进行赛道提取，克服图像模糊失真的问题，实时确定车模的最佳前进方向，从而使车模实现智能循迹。
图I为实施例中的单片机的处理流程图；图2为实施例中单片机对每一幅图像信息执行的处理过程流程图；图3为车ネ旲的最优路径选择不意图。
具体实施例方式下面结合附图，具体说明本发明的优选实施方式。本实施例的车模可以分为供能系统，信号采集系统，中央处理系统，执行系统。(I)供能系统本小车采用7. 2V/2000mAh可充电Ni-Cd电池作为电源，通过升压稳压电路给单片机、舵机、摄像头等供电，其中摄像头是12V，单片机为5V，舵机为电源电压-O. 7V。(2)信号采集处理系统本小车采用自动调光索尼CXD摄像头采集图像信息，取46行134列的图像数组。此外，本车模还在同时在后轮轴上安装了编码器，进行速度采集。(3)中央处理系统本小车处理器采用飞思卡尔MC9S12XS12816位单片机，对图像信息进行处理，通过偏移量来控制马达的转速和舵机的转角，进而控制车的速度和方向。(4)执行系统本小车的执行系统为FUTABA S3010舵机，RS-380-ST3545驱动马达，舵机控制前轮转角，采用卧式安装方式，驱动马达控制后轮转速。附图I是实施例中单片机的处理流程图。
单片机首先执行初始化，然后通过拨码开关获取控制数据，例如车模的最大最小速度、刹车系数等，然后控制发车。在小车行驶的过程中，单片机实时对图像信息进行处理，摄像头大约每17ms传输一幅图像信息。单片机对于每一幅图像信息执行 的处理过程如附图2所示。具体处理过程为—、对从信号采集系统收集的灰度图像ニ值化；传统的ニ值化图像的方法通常是对整幅图像采取ー个固定的阈值。本实施例中采取的方法为捜索出每行图像灰度值的最大值和最小值，为每一行设置ー个阈值，该阈值为(最大值_(最大值-最小值)/3)，对于整幅图像，得到一个由每一行的阈值构成的数组，该数组随着每一幅图像的输入而不断更新。该方法的优点是不管赛道的光线怎么变化，只要黒白之间有差距，那么就能找到ー个合适的阈值使赛道和边线区分开来。设置好阈值后，对于灰度值大于阈值的取1，对灰度值小于阈值的取O。之前的灰度图像的存储方式为按字存，O和I代表的就是O和I这两个数字，占ー个字，ー个字可以存八位，每个I存成00000001。ニ值化之后得到的数据只有O和I两种，因此改为把O和I都按照位来存，从而把存储空间减少到原来的八分之一。ニ、边线提取对于ニ值化后的图像，从最近的一行开始，由近及远执行(I)从该行中间开始分别向左右两边搜索，当出现ー个I之后跟着两个O的情形(此处的ニ值化图像中，I代表白色，O代表黒色)，则将第一个O的左边记为边界坐标；如果第一行未出现ー个I之后跟着两个O的情形，继续处理下一行直到找到有效的第一行；(2)在找到有效的第一行之后，后面的行开始搜索的点为上一行边界点向中心线移动5个点处；由于赛道在相邻的行中是连续的，所以通过这样设置可以提高捜索的效率；(3)当某一行中出现未找到边界的情形，通过前六行的图像数据进行估值；这样就可以将图像中一些丢失的模糊的点补充出来。三、根据提取的边线进行赛道类型识别(I)首先比较车宽和整幅图像中赛道左右最内边缘之间的宽度，如果赛道左右内边缘之间的宽度比车宽大则可以直线通过，选择赛道左右内边缘中点和车模中心的连线作为车模前进的最佳方向；在可以直线通过的情形下，继续判断赛道类型为小S或直道，如果偏移量即车中轴线与赛道中轴线之间的距离不断变化则为小S赛道，否则是直道，在小s赛道上车要减速；(2)如果不能直线通过，进行最优路径选择，从图像最远处的一行向近处搜索在一行中通过赛道边界计算赛道中心坐标，对赛道中心坐标和车模中心的连线向两边补偿车模宽度，如果补偿后的区域超过了赛道的边界，则搜索下一行，从而从远及近找到第一个满足车模可以通过而不超过边界的行，这一行赛道中心坐标和车模中心的连线即为车模前进的最佳方向。如附图3所示，S为车模中心，A、B分别为不同的两行中的赛道中心坐标。对于BS连线向两边补偿车模宽度，补偿后的区域没有超过赛道的边界；而AS连线向两边补偿车模宽度，补偿后的区域则已经超过了赛道的边界。四、通过计算车模前进最佳方向和车模实际前进方向之间的夹角，实现对方向的控制；
五、通过偏移量即车中轴线与赛道中轴线之间的距离得到车模的期望速度，控制驱动马达实现对速度的控制。通过安装在后轮轴上编码器可以返回车模的实际速度，从而实现ro闭环控制期望速度=偏移量X (最小速度-最大速度)/A+最大速度，其中A为偏移量绝对值的变化范围。在对舵机和驱动马达进行控制的时候，传统的PID控制通过对ー个设备调试ー套PID參数来实现舵机和电机的控制，这种方法太过笼统，且參数选定调节非常困难。本实施例将偏移量分成不同区间，速度也分成不同区间，对于每个偏移量区间和速度区间的组合， 调试ー个合适的PID值。使用此方法，可以极大的改善车模的性能。本发明不仅限于以上实施例，凡是利用本发明的设计思路，做ー些简单变化的设计，都应计入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于赛道的摄像头智能循迹车模，包括供能系统，信号采集系统，中央处理系统，执行系统；其中供能系统为其他系统供电；信号采集系统通过摄像头采集图像信息，并传输到中央处理系统；中央处理系统对图像信息进行处理，通过偏移量即车中轴线与赛道中轴线之间的距离控制马达的转速和舵机的转角，进而控制车的速度和方向；执行系统包括车轮、舵机和驱动马达，舵机控制前轮转角，驱动马达控制后轮转速；其特征在于，所述的中央处理系统包括以下处理步骤 一、对从信号采集系统收集的灰度图像二值化； 二、对二值化后的图像进行边线提取； 三、根据提取的边线进行赛道类型识别，并确定车模前进的方向 (1)首先比较车宽和整幅图像中赛道左右最内边缘之间的宽度，如果赛道左右内边缘之间的宽度比车宽大则可以直线通过，选择赛道左右内边缘中点和车模中心的连线作为车模前进的最佳方向； (2)如果不能直线通过，进行最优路径选择，从图像最远处的一行向近处搜索在一行中通过赛道边界计算赛道中心坐标，对赛道中心坐标和车模中心的连线向两边补偿车模宽度，如果补偿后的区域超过了赛道的边界，则搜索下一行，从而从远及近找到第一个满足车模可以通过而不超过边界的行，这一行赛道中心坐标和车模中心的连线即为车模前进的最佳方向； 四、通过计算车模前进最佳方向和车模实际前进方向之间的夹角，控制舵机实现对方向的控制； 五、通过偏移量得到车模的期望速度，控制驱动马达实现对速度的控制。
2.根据权利要求I所述的一种用于赛道的摄像头智能循迹车模，其特征在于，对灰度图像二值化时，搜索出每行图像灰度值的最大值和最小值，为每一行设置一个阈值，该阈值为(最大值_(最大值-最小值)/3)，对于整幅图像，得到一个由每一行的阈值构成的数组，该数组随着每一幅图像的输入而不断更新。
3.根据权利要求I所述的一种用于赛道的摄像头智能循迹车模，其特征在于，对灰度图像二值化时，设置好阈值后，对于灰度值大于阈值的取1，对灰度值小于阈值的取O，把灰度图像改为按照位来存。
4.根据权利要求I所述的一种用于赛道的摄像头智能循迹车模，其特征在于，边线提取的方法为，对于二值化后的图像，从最近的一行开始，由近及远执行 (1)从该行中间开始分别向左右两边搜索，当出现一个I之后跟着两个O的情形，则将第一个O的左边记为边界坐标；如果第一行未出现一个I之后跟着两个O的情形，继续处理下一行直到找到有效的第一行；此处的二值化图像中，I代表白色，O代表黑色； (2)在找到有效的第一行之后，后面的行开始搜索的点为上一行边界点向中心线移动5个点处。
5.根据权利要求4所述的一种用于赛道的摄像头智能循迹车模，其特征在于，当某一行中出现未找到边界的情形，通过前六行的图像数据进行估值；这样就可以将图像中一些丢失的模糊的点补充出来。
6.根据权利要求I所述的一种用于赛道的摄像头智能循迹车模，其特征在于，在步骤五中，通过偏移量得到车模的期望速度，期望速度=偏移量X (最小速度-最大速度)/A+最大速度，其中A为偏移量绝对值的变化范围。
7.根据权利要求I所述的一种用于赛道的摄像头智能循迹车模，其特征在于，在对舵机和驱动马达进行控制的时候，将偏移量分成不同区间，速度也分成不同区间，对于每个偏移量区间和速度区间的组合，调试一个合适的PID值。
全文摘要
本发明涉及一种用于赛道的摄像头智能循迹车模，包括供能系统，信号采集系统，中央处理系统，执行系统；所述的中央处理系统包括以下处理步骤一、对从信号采集系统收集的灰度图像二值化；二、对二值化后的图像进行边线提取；三、根据提取的边线进行赛道类型识别，并确定车模前进的方向；四、通过计算车模前进最佳方向和车模实际前进方向之间的夹角，控制舵机实现对方向的控制；五、通过偏移量即车中轴线与赛道中轴线之间的距离得到车模的期望速度，控制驱动马达实现对速度的控制。本发明充分利用整幅图像的信息进行赛道提取，克服图像模糊失真的问题，实时确定车模的最佳前进方向，从而使车模实现智能循迹。
文档编号G05D1/02GK102662402SQ201210182070
公开日2012年9月12日 申请日期2012年6月5日 优先权日2012年6月5日
发明者井泓杨萍, 关正, 叶刚, 杨龙, 王守宽, 钟鸣, 陈杰浩, 马辰 申请人:北京理工大学