智能车光标追踪系统及光标追踪方法

1.本发明涉及智能车技术领域，具体为智能车光标追踪系统及光标追踪方法。


背景技术：

2.现在已有的智能车光标追踪系统，在硬件上有四轮车，四轮车由两个电机、一个舵机和长车板组成；在软件系统有二阶检测算子laplacian算子去识别光标。该系统有以下问题：
3.1.首先车模的选择，四轮车因车模较长且通过舵机转向使其缺失良好的灵活性、机动性。如果改变较长的车模和摆脱依靠舵机去转向就能够更好、更快的转向移动，灵活性提高的同时还因长度缩小、去除舵机从而节约经费的支出。
4.2.其次是追踪目标的算法选择，二阶检测laplacian算子是二阶导数的0点去判断梯度凸显边界，使其对噪点有较强的敏感，致使不能准确反馈光标位置，再之使用laplacian算子去检测并凸显边界会让图像中多出除灯的其他轮框；最后用laplacian算子会增加算力，使每秒处理的图像帧数低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供智能车光标追踪系统光标追踪方法，以解决上述背景技术中提出的系统成本高、灵活性差、光标识别效率低等问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：智能车光标追踪系统，包括二轮车模，还包括安装在二轮车模上的主控板、陀螺仪、摄像头、编码器、电机、电源模块，所述电源模块为主控板、陀螺仪、摄像头、编码器供电，所述摄像头、编码器、陀螺仪将采集到的信号发送给主控板，所述主控板经过处理向电机输出pwm控制信号，所述电机驱动车轮转向和行走追踪光标。
7.优选的，还包括显示屏，所述显示屏与主控板、电源模块电连接，所述显示屏用于显示摄像头采集的实时的灰度图片、经过处理的二值化图片，以及陀螺仪采集的智能车俯仰角度，智能车行驶的里程数。
8.优选的，所述电源模块包括一个5v稳压电路和两个3.3v稳压电路，所述5v稳压电路采用spx2940稳压芯片为控制器串口、编码器供电，两个3.3v稳压电路均采用rt9013-33稳压芯片，一个为显示屏和陀螺仪供电，另一个为摄像头供电。
9.优选的，所述主控板采用mm32f3277g9p芯片，所述陀螺仪采用bmx-055陀螺仪，所述摄像头采用mt9v03x摄像头，所述电机采用rs380电机，所述编码器采用1024线带方向光电编码器组成。
10.优选的，所述显示屏采用ips显示屏。
11.本发明还提供了一种光标追踪的方法，所述方法为：摄像头实时的向主控板传输赛道图像，主控板将每一帧赛道图像转化成二值化图像，并遍历每一帧赛道图像全图，记录全图中每行的亮点的横坐标与纵坐标，再累加全图的亮点的横坐标和纵坐标并取平均值计
算出光斑中心坐标，将所述光斑中心坐标与车坐标做差得到车身与光斑的方向偏差和距离偏差，所述车身与光斑的方向偏差参与外环位置式pid计算得到外环pwm，将外环pwm传送到内环与陀螺仪采集的俯仰角或翻滚角或偏航角融合参与内环pid计算得到方向环pwm；
12.所述陀螺仪获得智能车的实时的俯仰角度，该俯仰角度与测量的机械平衡角度做差后得到角度偏差，该角度偏差和智能车俯仰角加速度参与位置式pid计算得到角度环pwm；
13.所述编码器传输左右轮转动产生的脉冲数给主控板，主控板通过速度公式计算出智能车的实时速度与路程，所述智能车的实时速度与目标速度做差得到速度偏差，该速度偏差参与位置式pid计算得到速度环pwm；采用并行pid方法将以上的角度环、速度环和方向环形成的pwm值组合成一个融合的pwm控制信号作用于电机上驱动电机转动追踪光标。
14.优选的，所述主控板将每一帧赛道图像转化成二值化图像采用的方法为大津法。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.采用二轮车模，靠电机驱动车轮转向、行走，因车身短小重心集中，使其具有良好的灵活性、机动性；采用二轮车模，并且仅采用一块主控板即可完成全部的计算，节省成本；通过偏差计算以及pid计算获取方向环pwm、速度环pwm、角度环pwm，并将方向环pwm、速度环pwm、角度环pwm融合成最终的电机控制信号，算法简单，使主控板计算负担大幅下降，让主控板每秒处理的图像帧数提高，提升光标识别和追踪的效率。
附图说明
17.图1为本发明智能车光标追踪系统的原理框图；
18.图2为电源模块5v稳压电路图；
19.图3为电源模块3.3v稳压电路图；
20.图4为电源模块3.3v稳压电路图；
21.图5为驱动模块电路图；
22.图6为陀螺仪主板接口模块电路图；
23.图7为摄像头主板接口模块电路图；
24.图8为1024线带方向光电编码器主板接口模块电路图；
25.图9为显示屏显示图；
26.图10为光标追踪方法的流程图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案进行清楚、完整地描述，及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参阅图1，本发明提供一种技术方案：智能车光标追踪系统包括二轮车模，以及安装在二轮车模上的主控板、陀螺仪、摄像头、编码器、电机、电源模块、显示屏，所述电源模块为主控板、陀螺仪、摄像头、编码器、显示屏供电，所述摄像头、编码器、陀螺仪将采集到的
信号发送给主控板，所述主控板经过处理向电机输出pwm控制信号，所述电机驱动车轮转向和行走追踪光标。所述显示屏采用ips显示屏，用于显示摄像头采集的实时的灰度图片、经过处理的二值化图片，以及陀螺仪采集的智能车俯仰角度，智能车行驶的里程数。
29.作为本实施例的一个优选实施方式，所述电源模块包括一个5v稳压电路和两个3.3v稳压电路，所述5v稳压电路采用spx2940稳压芯片为控制器串口、编码器供电(电路如图2所示)，两个3.3v稳压电路均采用rt9013-33稳压芯片，一个为显示屏和陀螺仪供电(电路如图3所示)，另一个为摄像头供电(电路如图4所示)。
30.作为本实施例的一个优选实施方式，所述主控板采用mm32f3277g9p芯片，最高工作频率可达120mhz，内置高速存储器，丰富的i/o端口和外设连接到外部总线。其作用是接收、处理来自编码器、陀螺仪和摄像头的信号并发送相应的控制信号到电机驱动、无线转串口和显示屏来控制智能车的行驶。
31.所述电机采用rs380电机，驱动模块采用btn7971驱动芯片(驱动模块电路如图5所示)。所述陀螺仪采用bmx-055陀螺仪(陀螺仪主板接口模块电路如图6所示)。所述摄像头采用mt9v03x摄像头(摄像头主板接口模块电路如图7所示)，所述编码器采用1024线带方向光电编码器组成(1024线带方向光电编码器主板接口模块电路如图8所示)。
32.本实施例的智能车光标追踪系统的光标追踪方法如下：
33.所述摄像头实时的向主控板传输采集到的每一帧赛道图像(如图9上半部分浅色圆斑即为采集到的光标)，每一帧赛道图像经过大津法分区域转化成二值化图像(如图9下半部分深色圆斑即为二值化后的光标)，然后遍历每一帧赛道图像全图，记录全图中每行的亮点的横坐标与纵坐标，再累加全图的亮点的横坐标和纵坐标并取平均值计算出光斑中心坐标，将光斑中心坐标与车坐标做差得到车身与光斑的方向偏差和距离偏差，所述车身与光斑的方向偏差参与外环位置式pid计算得到外环pwm，将外环pwm传送到内环与陀螺仪采集的俯仰角或翻滚角或偏航角融合参与内环pid计算得到方向环pwm。所述俯仰角是指陀螺仪采集的z轴角速度，所述翻滚角是指陀螺仪采集的x轴角速度，所述偏航角是指陀螺仪采集的y轴角速度。因为是两轮车，在转向的时候会有较大的转动惯性导致左右较大的摇摆，这时仅凭借调节pid是不能够很好的抑制的，所以添加所对应轴的角速度来抑制车的摆动。以俯仰角为例，bmx-055陀螺仪采用iic为基础通信协议，在配置加速度计、陀螺仪和磁力计后，读取相应的加速度计的数据和陀螺仪的数据后进行单位转换，单位转换后的陀螺仪数据参与数据快速更新计算，进行姿态更新，使用角速度更新四元数，再进行数据深度融合更新计算，更新后通过转换公式和互补滤波得到最后的精准俯仰角angle，俯仰角angle再参与内环pid的计算后形成控制电机的方向环pwm值。所述外环计算每6ms执行一次，所述内环计算每2ms执行一次。本实施例采用串级pid是内外两环并联调节，可增加系统的稳定性、抗干扰性。
34.所述陀螺仪获得智能车的实时的俯仰角度，该俯仰角度与测量的机械平衡角度做差后得到角度偏差，该角度偏差和智能车俯仰角加速度参与位置式pid计算得到角度环pwm。所述机械平衡角度是指二轮车在没有电机力的状态下，仅靠机械结构让车平衡、静止住的角度。所以在车的外形设计时会将车做成v形结构，让车的前后、左右长度与重量尽量均衡，重心集中与电机部分。机械平衡角度的获取方法为先将小车从后往前仰，直到小车到达临界状态恰好向前倾倒，记录此时角度值1(通过ips显示屏显示或者用串口发送到上位
机显示出来)。同理反向操作一遍(从前往后倾倒)得到临界角度值2，取二者平均值即为机械平衡角度，也可以叫做机械零点。
35.所述编码器传输左右轮转动产生的脉冲数给主控板，主控板通过速度公式计算出智能车的实时速度与路程。所述智能车的实时速度与目标速度做差得到速度偏差，该速度偏差参与位置式pid计算得到速度环pwm。采用并行pid方法将以上的角度环、速度环和方向环形成的pwm值组合成一个融合的pwm控制信号，最终作用于电机上驱动电机行动。处理流程如图10所示。
36.尽管上面对本技术说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本技术，但是本技术不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本技术精神和范围内，一切利用本技术构思的申请创造均在保护之列。