基于視覺導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

施永澤 王龍 劉杰 楊仟竹 肖宇峰

摘 要：本文主要設(shè)計(jì)基于視覺導(dǎo)航的的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由TC377單片機(jī)作為控制核心、MT9V034數(shù)字?jǐn)z像頭采集路徑信息、IMU660RA陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)解算、TOF測(cè)距模塊實(shí)時(shí)測(cè)距、速度編碼器來檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，作為速度環(huán)反饋信號(hào)組成。應(yīng)用PID算法以提高姿態(tài)感知的準(zhǔn)確性。通過多次仿真和實(shí)際路徑測(cè)試，成功實(shí)現(xiàn)了高速穩(wěn)定行駛，并能夠有效地應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜路徑信息的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：視覺導(dǎo)航；姿態(tài)解算；數(shù)字?jǐn)z像頭

一、視覺導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的核心控制單元選用了infineon公司生產(chǎn)的Tricore架構(gòu)單片機(jī)TC377，作為整個(gè)系統(tǒng)的大腦。此外，系統(tǒng)配備MT9V034數(shù)字?jǐn)z像頭，用于采集路徑信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人姿態(tài)的判斷。編碼器用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，為速度環(huán)提供反饋。IMU660RA陀螺儀用于姿態(tài)解算，進(jìn)一步提升姿態(tài)感知準(zhǔn)確性。電感和激光測(cè)距模塊用于采集電磁信息和測(cè)距，輔助判斷路徑的坡道、路障等元素。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，采用增量式PID算法完成對(duì)車速的閉環(huán)控制，通過PWM控制驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整電機(jī)功率；同時(shí)通過軟件設(shè)計(jì)的相關(guān)算法識(shí)別路徑各元素等。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

二、視覺導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）傳感器電路設(shè)計(jì)

攝像頭選用的是逐飛科技的MT9V034總鉆風(fēng)攝像頭，其用來檢測(cè)和采集路徑信息。所以在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合路徑情況盡可能通過硬件保證檢測(cè)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(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路為移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供控制和驅(qū)動(dòng)，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)是硬件電路中非常重要的一部分。驅(qū)動(dòng)電路我們采用的是IR2104和LM7843組成的H橋電路。驅(qū)動(dòng)電路主要由隔離電路、柵極驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和H橋組成。驅(qū)動(dòng)模塊部分電路原理圖如圖3所示。

三、視覺導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）路徑信息采集算法

首先在原始圖像的基礎(chǔ)上對(duì)圖像進(jìn)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(yīng)的圖像二值化方法，用于在圖像中自動(dòng)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(gè)合適的預(yù)瞄點(diǎn)，并使用純跟蹤算法進(jìn)行計(jì)算。純跟蹤（Pure Pursuit）控制，這是一種專門用于跟蹤預(yù)定路徑的控制方法。純跟蹤控制的思想是，差速車在每個(gè)時(shí)間步中計(jì)算出一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，然后將車輛的移動(dòng)方向調(diào)整為朝向該目標(biāo)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤。

【參考文獻(xiàn)】

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課題項(xiàng)目：湖北汽車工業(yè)學(xué)院2023年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于英飛凌TC377的攝像頭智能車研究與設(shè)計(jì)”（DC2023047）。