拼合式QR地圖及識別車研究與設(shè)計(jì)

陳小順　魏子韜

關(guān)鍵詞： 巡線定位；STM32F103；人機(jī)交互；QRCode

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）03-0011-04

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)沙盤可以用來構(gòu)建樓盤、城市、工廠、農(nóng)業(yè)、交通系統(tǒng)或其他復(fù)雜的環(huán)境，嵌入傳感器與執(zhí)行器，通過系統(tǒng)控制交互，模擬真實(shí)世界各種情境。通常沙盤平臺的大小比例固定，運(yùn)行在沙盤道路上的循跡車多以黑白軌跡循跡方式呈現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)操作復(fù)雜，交互手段單一，缺乏交互性能[1]。循跡車作為傳統(tǒng)單片機(jī)項(xiàng)目，隨著單片機(jī)性能提升，ROS的發(fā)展，以機(jī)器視覺為主的循跡車在各個(gè)行業(yè)扮演著越來越重要的角色，車輛能夠循跡定位的方法眾多。朱林海等人使用光電傳感器檢測道路位置，進(jìn)而控制小車循跡行進(jìn)[2]。聶寧等人使用TSL1401線性CCD實(shí)時(shí)獲取車道線信息，控制車輛循跡[3]。徐鵬飛等人通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法，使用Lenet-5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，訓(xùn)練道路數(shù)據(jù)，完成循跡功能[4]。楊璞采用基于RGB-SLAM方法對機(jī)器人進(jìn)行室內(nèi)定位，進(jìn)而完成循跡與定位控制[5]。黃鳳英采用RFID室內(nèi)定位技術(shù)，通過無源RFID系統(tǒng)與標(biāo)簽反射鏈路通信過程計(jì)算得出具體物體位置，進(jìn)而控制車輛行進(jìn)[6]。程智余等人提出基于AprilTag二維碼定位和IMU信息融合的機(jī)器人室內(nèi)定位技術(shù)，能夠精準(zhǔn)獲取機(jī)器人姿態(tài)誤差，完成室內(nèi)定位及軌跡修正[7]。

1 地圖塊與識別車設(shè)計(jì)

1.1 地圖塊設(shè)計(jì)

如圖1 所示，一個(gè)地圖塊的長寬高為10×10×3.5cm，分為地圖塊蓋板和地圖塊底部兩部分，地圖蓋板厚度為0.5 cm，地圖塊厚度為3 cm，地圖塊蓋板頂部用于噴繪地圖。蓋板底部和地圖塊采用圓形薄片釹磁鐵吸合，地圖塊四周按照N、S磁極順序排列。

根據(jù)不同風(fēng)格主題，設(shè)計(jì)不同類型地圖塊，將各個(gè)地圖塊拼接形成完整的地圖，如表1所示，道路類型編碼預(yù)留數(shù)量可包含20種，分別為：泥路、水泥路、柏油路、石子路、可行駛草地、水路、橋……

如圖2所示，將地圖塊按照地圖類型吸合成為大型地圖，識別車根據(jù)地圖碼運(yùn)行于地圖塊上。

1.2 QRCode 地圖編碼設(shè)計(jì)

QRCode即二維碼（如圖3所示），是日常生活中使用最頻繁的編碼類型，在一個(gè)矩形平面上通過黑、白像素點(diǎn)在矩陣中的不同行列的分布對信息進(jìn)行編碼[8]。

選取編碼為170號的道路地圖塊為例，將地圖塊蓋板頂部劃分為5×5網(wǎng)格區(qū)域，按照公式1所示內(nèi)容填充網(wǎng)格區(qū)域二維碼數(shù)據(jù)。

A = a + x*2¹⁵+ y*2¹²（1）

其中，A為對應(yīng)網(wǎng)格區(qū)域中方格的內(nèi)部數(shù)值及名稱，（x ， y）為自右下角起的A方格坐標(biāo)，a 為表1中該地圖塊類型編碼。

如圖4所示，地圖塊網(wǎng)格右下角顯示地圖塊類型為編號170，自右下角開始，從右向左每列遞增32 768 即 2¹⁵，從下至上每行遞增4 096 即2¹²。存放在二維碼中供以識別車識別的數(shù)據(jù)即為圖4中網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

識別車進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，將5×5的網(wǎng)格區(qū)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為18位二進(jìn)制。如圖5所示，其中每個(gè)二進(jìn)制的低9位為地圖的類型碼，高6位為地圖塊坐標(biāo)碼，中間為保留字段。識別車將在該地圖塊所識別的編碼與二進(jìn)制000， 000， 000， 111， 111， 111做與運(yùn)算，即可得當(dāng)前地圖塊編號。

如圖5 所示，地圖編碼右移12 位后，與二進(jìn)制000， 111做與運(yùn)算，可得所在列坐標(biāo)，與二進(jìn)制111，000做與運(yùn)算可得所在行坐標(biāo)。

如圖6所示，坐標(biāo)（2，2）為地圖塊中心，坐標(biāo)行列中含數(shù)字2的點(diǎn)碼組成十字形狀，根據(jù)地圖塊的組合，即可形成網(wǎng)狀路徑。識別車可根據(jù)掃描識別的坐標(biāo)值完成巡線與定位。

編碼為170的泥路地圖塊如圖7所示，背景圖片大小與地圖塊蓋板大小一致 （10×10 cm） ，背景圖片劃分5×5 個(gè)1×1 cm 的二維碼區(qū)域，通過Python qrcode 庫，按照編碼排列公式，批量生成每個(gè)地圖塊中的25 個(gè)二維碼編碼。

將編碼融合于地圖背景中，每個(gè)二維碼編碼由透明背景顏色和編碼顏色兩個(gè)部分組成，編碼顏色根據(jù)背景圖片設(shè)為相近顏色。使用Pillow庫的ImageColor 模塊，將背景圖像轉(zhuǎn)換為RGB模式。代碼調(diào)用getcol?ors（）函數(shù)計(jì)算每個(gè)二維碼的1×1cm區(qū)域圖像中每個(gè)像素的顏色，并對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲取圖像中最多顏色，記作C。在一張RGB圖片，像素值的范圍是0～255，其中0表示最暗，255表示最亮。

如公式（2） 所示，取顏色C三個(gè)通道計(jì)算C平均值，根據(jù)平均值計(jì)算二維碼編碼顏色C_new，使得二維碼顏色與背景顏色形成對比，背景顏色較暗時(shí)，二維碼顏色較亮，背景顏色較亮?xí)r，二維碼顏色較暗。使用Pillow庫的Image.putalpha（）方法，調(diào)整二維碼圖像的透明度為65%，背景圖片透明度為0%，使用Image.blend（）方法融合二維碼與背景。

如圖8所示，將不同類型的地圖塊吸合在一起組合成一個(gè)拔蘿卜的場景地圖。如圖9所示，地圖塊之間依靠磁片吸合，識別車運(yùn)行于地圖塊上。

1.3 識別車框架設(shè)計(jì)

硬件總體結(jié)構(gòu)框架如圖10 所示，識別車采用STM32F103 為控制核心，以XM1605CMOS 圖像傳感器、VL6180X光學(xué)激光測距傳感器組成點(diǎn)碼采集模塊，用于采集地圖信息?？刂破鞲鶕?jù)接收到的信息，解碼識別當(dāng)前地圖塊所含信息，控制執(zhí)行模塊完成巡線，在OLED顯示屏上顯示地圖信息，通過ASR語音模塊播報(bào)當(dāng)前位置信息。使用者通過ASR語音模塊語音喚醒詞與設(shè)備交互。

地圖點(diǎn)碼識別由XM1605 CMOS 圖像傳感器完成，傳感器擁有640×480像素分辨率，通過串行信號控制采集QRCode數(shù)據(jù)，識別景深4.0～18.0 cm，最小識別10×10 mm二維碼，可接受360°旋轉(zhuǎn)、傾斜±45°、偏轉(zhuǎn)±45°解碼識別。主要有VCC（供電3.3V）、RX（串口接收）、TX（串口發(fā)送）、DM（USB D-）、DP（USB D+）、TRIG（識別信號觸發(fā)）。

VL6180X光學(xué)激光測距傳感器，采用時(shí)鐘信號控制測量光從物體表面反彈所需時(shí)間，進(jìn)而判斷物體接近程度，測量范圍5～100 mm，使用I2C通信模式。

ASR語音模塊內(nèi)置FLASH4MB，包含RNN算法，支持完成語音識別、聲紋識別、語音增強(qiáng)、語音檢測、360°拾音等功能。內(nèi)置39種合成人物語音播報(bào)聲，語音識別距離10m，識別響應(yīng)時(shí)間小于0.1s。語音指令分為歡迎詞、喚醒詞、命令詞、回復(fù)詞4個(gè)部分，外接麥克風(fēng)、喇叭完成語音控制及反饋。

OLED顯示屏分辨率128×64，使用SSD1306控制芯片，采用I2C通信模式，顯示顏色為藍(lán)色。

圖11中識別車頂部通過卡口與螺絲與識別車中部固定連接，頂部前端固定安裝液晶顯示屏和LED燈條。

圖12中，識別車中部與識別車底部通過螺絲固定連接，在識別車中部上端嵌入圖像傳感器用以掃描識別地圖碼，識別車中部上端固定安裝揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、集成語音控制模塊。

如圖13所示，識別車底部兩側(cè)固定安裝N20電機(jī)與車輪，電機(jī)中間安裝有VL6180X光學(xué)激光測距傳感器，底部后端固定安裝萬向輪，底部上端固定安裝鋰電池與電機(jī)驅(qū)動模塊，識別車長寬分別為10×10×8 cm。

1.4 識別車功能設(shè)計(jì)

識別車具有識別地圖塊信息、定位、巡線、語音交互、狀態(tài)顯示功能。

識別車CMOS圖像傳感器識別口距離地圖碼高5cm，地圖碼排列密度可保證識別車識別口范圍內(nèi)至少可以完整顯示一個(gè)二維碼。識別車啟動后，當(dāng)激光測距傳感器檢測車輛已放置平面，啟動圖像傳感器檢測點(diǎn)碼，通過運(yùn)算得出識別車所在地圖塊類型。通過點(diǎn)碼識別確認(rèn)當(dāng)前車輛大致位置，車身原地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)開啟圖像傳感器檢測點(diǎn)碼，根據(jù)坐標(biāo)變化確定當(dāng)前識別車的方位，旋轉(zhuǎn)并移動識別車，使得車頭朝向正右方，識別口正下方坐標(biāo)為（1，2）。

表2中記錄人機(jī)交互中，語音控制部分的語音指令，通過語音指令控制，可以控制車輛行駛于地圖上。

如圖14所示，識別車打開電源開關(guān)，通電啟動。語音模塊播報(bào)歡迎信息。點(diǎn)碼采集模塊判斷車輛是否在地圖上，若在地圖上，則順時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)行位置校正，確定初始位置后，播報(bào)并顯示當(dāng)前地圖信息，否則進(jìn)行語音提示，告知用戶將車輛放置于地圖上。隨后進(jìn)入循環(huán)，等待用戶語音指令，例如：前進(jìn)1格、向左轉(zhuǎn)、向右轉(zhuǎn)、后退1格等命令，車輛結(jié)合當(dāng)前所在地圖位置完成指令動作，并將執(zhí)行信息語音播報(bào)并實(shí)時(shí)顯示。

2 結(jié)論

在沙盤場景中，靈活性、復(fù)用性使得沙盤主題豐富，通過集成語音模塊，車輛依據(jù)點(diǎn)碼信息識別所在地圖塊信息后，通過揚(yáng)聲器播報(bào)當(dāng)前信息，麥克風(fēng)獲取用戶指令，在液晶屏上顯示文字信息， LED燈條顯示運(yùn)行狀態(tài)，如此整體達(dá)到了識別車與用戶交互的功能。通過地圖塊四周按照NS極性順序設(shè)置有磁鐵，在需要更換地圖大小形狀時(shí)僅需將地圖塊重新排列吸合成所需形狀，地圖蓋板根據(jù)新地圖場景重新貼鋪。在需要更換地圖場景時(shí)，僅需將已完成的場景蓋板從地圖塊上摘下，從而可回收未損壞的設(shè)備材料，進(jìn)行二次利用，從而節(jié)約設(shè)備材料資源，當(dāng)?shù)貓D塊蓋板受損需要進(jìn)行維修時(shí)，因設(shè)置有磁貼，直接摘下即可更換新的地圖蓋板，如此整體達(dá)到便于維修更換主題的優(yōu)點(diǎn)。通過地圖蓋板已噴繪融合二維碼的地圖信息組成的平臺場景，配以識別車，車輛通過圖像傳感器，依據(jù)點(diǎn)碼排列信息識別所在地圖塊信息，包含車輛當(dāng)前所在地圖塊位置、地圖塊類型信息。通過車輛原地旋轉(zhuǎn)掃描識別獲取地圖位置信息，進(jìn)而調(diào)整車輛基準(zhǔn)方向與位置，如此整體達(dá)到識別車與地圖交互的優(yōu)點(diǎn)。

【通聯(lián)編輯：唐一東】