劉杰 蔣沁宏

采用arduino模塊和openMV模塊采集通過紅色濾光片后的顏色，找到紅色信標(biāo)燈并采用PID算法對賽車行進(jìn)的方向、速度進(jìn)行控制，使賽車能快、穩(wěn)、準(zhǔn)的通過車身的磁鐵切割信標(biāo)燈圓盤底座上的線圈將信標(biāo)燈滅掉。同時采用紅外傳感器避障，避免賽車在行駛過程中撞燈或撞墻。測試結(jié)果表明，攝像頭openMV能實(shí)時準(zhǔn)確的給核心板傳輸數(shù)據(jù)，使賽車能準(zhǔn)確的熄滅信標(biāo)燈。

【關(guān)鍵詞】Arduino openMV攝像頭 紅外避障L298N驅(qū)動 PID控制 濾光片

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和人工智能的飛速發(fā)展，自動控制的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，競賽車在現(xiàn)目前是比較熱門的話題，也出現(xiàn)了很多智能賽車的競賽，競賽為智能賽車領(lǐng)域培養(yǎng)了大量的人才，為大學(xué)生提供了充分展示創(chuàng)造力和想象力的舞臺，也吸引著越來越多來自不同專業(yè)的大學(xué)生參與其中。智能“尋的”賽車是多種賽車的一類，其目的是在12個紅色信標(biāo)燈被隨機(jī)點(diǎn)亮某一個后，賽車能準(zhǔn)確找到點(diǎn)亮的信標(biāo)燈并將其熄滅。本設(shè)計系統(tǒng)涉及車模機(jī)械結(jié)構(gòu)、主控電路、紅外傳感器電路、攝像頭圖像處理、電機(jī)驅(qū)動控制以及PID算法實(shí)現(xiàn)智能“尋的”和滅燈功能。

1 硬件設(shè)計

本設(shè)計系統(tǒng)主要由攝像頭圖像采集模塊、主控電路模塊、紅外避障模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊以及車模組成，硬件電路如圖1所示。攝像頭圖像采集模塊采用OpenMV攝像頭模塊，它是一個開源，低成本，功能強(qiáng)大的CMOS圖像采集模塊。以STM32F427CPU為核心，集成OV7725攝像頭芯片，用C語言高效地實(shí)現(xiàn)了核心算法，提供Python編程接口，高效率，低功耗。主控電路模塊采用Ardumo，它是一款便捷靈活、以C語言為編程環(huán)境，方便上手的開源電子原型平臺。紅外避障模塊采用E18-D80NK紅外對管，檢測距離遠(yuǎn)，穩(wěn)定性高。驅(qū)動電機(jī)模塊采用L298N驅(qū)動，它是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動，可以方便的驅(qū)動兩個直流電機(jī)和接受單片機(jī)控制;電源模塊采用12V輸出的航模電池供電;在找到信標(biāo)燈后，通過賽車的本身速度帶動車身上磁鐵切割信標(biāo)燈圓盤底座的線圈將信標(biāo)燈熄滅。

2 軟件設(shè)計

程序設(shè)計主要分為三個模塊，對圖像采集輸出的數(shù)據(jù)處理，對障礙物的檢測，PID算法對賽車的速度方向的控制。具體軟件設(shè)計原理圖如圖2所示。

（1）采用python設(shè)計語言進(jìn)行算法設(shè)計，在賽車行進(jìn)過程中對透過紅色濾光片的攝像頭中的顏色進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與預(yù)先采集好的標(biāo)準(zhǔn)紅色信標(biāo)燈的顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果采集數(shù)據(jù)和預(yù)置值相同，返回給主控板當(dāng)前數(shù)據(jù)值，如果采集數(shù)據(jù)和預(yù)置值不同，返回給主控板零值，同時計算采集到的信標(biāo)燈圖像面積值并返回給主控板，采用620nm紅色濾光片是為避免其他光的干擾;

（2）采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計，讀取紅外避障模塊的輸出值，當(dāng)檢測到障礙物時，對應(yīng)紅外模塊輸出值為1，若沒有檢測到障礙物，對應(yīng)模塊輸出值為0，在賽車行進(jìn)過程中，如果檢測到障礙物，控制賽車減速后退并右轉(zhuǎn)后繼續(xù)尋找信標(biāo)燈;

（3）系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，編碼器采集實(shí)際速度值進(jìn)行反饋控制，以增量式PID進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)賽車按照規(guī)劃路徑穩(wěn)、準(zhǔn)、快的到達(dá)目的地。主控板arduino對攝像頭采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果接收的數(shù)據(jù)值在標(biāo)準(zhǔn)紅色信標(biāo)燈閾值范圍內(nèi)，控制賽車加速直行，并判斷攝像頭圖像采集返回的面積值，當(dāng)面積值達(dá)到一定值后，說明賽車靠近信標(biāo)燈，此時控制賽車減速直行;如果接收到零值，控制賽車原地旋轉(zhuǎn)半圈后直行1s，再次判斷攝像頭返回值，直到紅色信標(biāo)燈出現(xiàn)在攝像頭視野范圍內(nèi)。在找到信標(biāo)燈后，通過賽車的本身速度帶動車身上磁鐵切割信標(biāo)燈圓盤底座的線圈將信標(biāo)燈熄滅。

3 測試結(jié)果

半個羽毛球場地中，12個信標(biāo)燈隨機(jī)點(diǎn)亮，賽車從中心位置出發(fā)，能準(zhǔn)確快速的找到被點(diǎn)亮的信標(biāo)燈，并將其熄滅，同時能有效避開行進(jìn)過程中遇到的障礙物。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的基于openMV攝像頭和arduino的智能“尋的”賽車的系統(tǒng)方案，攝像頭采集通過620nm紅色濾光片后的圖像，通過返回信標(biāo)燈位置參數(shù)以及信標(biāo)燈當(dāng)前面積值，能夠成功實(shí)現(xiàn)信標(biāo)燈的快速尋找以及障礙物的避讓。該方案仍存在一些不足的地方，但賽車尋找信標(biāo)燈的準(zhǔn)確率更高，速度也更快，同時能很好的避開障礙物。

參考文獻(xiàn)

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