基于攝像頭檢測的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、控制方法及直立平衡車的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，尤其是一種基于攝像頭檢測的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、控 制方法及直立平衡車，屬于信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)、自平衡技術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)一直是人們研宄的熱點(diǎn)之一，目前傳統(tǒng)的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)系統(tǒng)多采用 1)GPS系統(tǒng)導(dǎo)航2)光電傳感器3)電磁傳感器；采用GPS導(dǎo)航的系統(tǒng)，由于民用GPS定位精 度的及數(shù)據(jù)采樣速率的限制，經(jīng)常出現(xiàn)"漂移"的現(xiàn)象，導(dǎo)致控制滯后、控制精度低、實(shí)時(shí)性 差的后果；采用光電傳感器及電磁傳感器進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)，其采樣速率雖然較高，測量精度 好，但光電傳感器與電磁傳感器是"線" "點(diǎn)"式測量，即"單維"測量，不能對(duì)路面的整體特 征進(jìn)行測量，導(dǎo)致系統(tǒng)只能測量當(dāng)前路面狀態(tài)而難以獲取未來路面狀態(tài)。
[0003] 傳統(tǒng)自平衡車采用8MHz的8位單片機(jī)，運(yùn)算精度低、運(yùn)算速度慢、采樣速率慢。同 時(shí)，目前自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)多應(yīng)用于四輪車上，四輪車由其四輪的特性，決定了其移動(dòng)不靈巧、 轉(zhuǎn)向不方便的特點(diǎn)。
[0004] 隨著自平衡車技術(shù)的發(fā)展，自平衡車將在許多場合扮演重要的角色，但使用攝像 頭進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航的自平衡車技術(shù)尚屬空白。另外，傳統(tǒng)的自平衡車采用的單軸姿態(tài)算法較 三軸姿態(tài)算法在安全性上稍顯不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的第一個(gè)目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種基于攝像頭檢 測的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效預(yù)測前方路況，進(jìn)行更加有效的預(yù)測控制，提高了控制 精度。
[0006] 本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種上述自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的控制方法。
[0007] 本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供一種直立平衡車。
[0008] 本發(fā)明的第一個(gè)目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：
[0009] 基于攝像頭檢測的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括直立平衡數(shù)據(jù)采集模塊、攝像頭 數(shù)據(jù)采集模塊和信號(hào)處理及控制模塊，所述直立平衡數(shù)據(jù)采集模塊、攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊 分別與信號(hào)處理及控制模塊連接；其中：
[0010] 所述直立平衡數(shù)據(jù)采集模塊，用于通過MU傳感器采集的數(shù)據(jù)獲取直立平衡車的 當(dāng)前姿態(tài)角數(shù)據(jù)；
[0011] 所述攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊，用于通過攝像頭傳感器采集跑道的灰度圖像數(shù)據(jù)；
[0012] 所述信號(hào)處理及控制模塊，用于通過嵌入式計(jì)算機(jī)收集、存儲(chǔ)和處理跑道的灰度 圖像數(shù)據(jù)、直立平衡車的當(dāng)前姿態(tài)角數(shù)據(jù)、直立平衡車的當(dāng)前車速及差速數(shù)據(jù)，以及根據(jù)直 立平衡車的當(dāng)前姿態(tài)角數(shù)據(jù)，對(duì)直立平衡車進(jìn)行平衡控制。
[0013] 作為一種優(yōu)選方案，所述信號(hào)處理及控制模塊包括：
[0014] 平衡控制單元，用于根據(jù)獲取的當(dāng)前姿態(tài)角數(shù)據(jù)，對(duì)直立平衡車進(jìn)行平衡控制；
[0015] 圖像處理單元，用于對(duì)采集的跑道灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。
[0016] 作為一種優(yōu)選方案，所述MU傳感器由L3G4200陀螺儀和MMA8451加速度計(jì)組成， 所述陀螺儀和加速度計(jì)通過IIC總線與嵌入式計(jì)算機(jī)連接。
[0017] 作為一種優(yōu)選方案，所述攝像頭傳感器采用圖像傳感器0V7620,并通過DMA通道 與嵌入式計(jì)算機(jī)連接。
[0018] 作為一種優(yōu)選方案，所述嵌入式計(jì)算機(jī)采用飛思卡爾公司Kinetis MK60DN512系 列MCU構(gòu)成。
[0019] 本發(fā)明的第二個(gè)目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：
[0020] 基于上述自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的控制方法，所述方法包括：
[0021] S1、MU傳感器中陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)通過IIC總線輸入嵌入式計(jì)算機(jī)，嵌入 式計(jì)算機(jī)通過對(duì)加速度計(jì)數(shù)據(jù)的反三角函數(shù)運(yùn)算，結(jié)合陀螺儀數(shù)據(jù)的積分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行一階 低通濾波，得到當(dāng)前置信度，解算出直立平衡車的當(dāng)前姿態(tài)角數(shù)據(jù)；同時(shí)，攝像頭傳感器的 數(shù)據(jù)輸入嵌入式計(jì)算機(jī)，獲取跑道的灰度圖像數(shù)據(jù)；
[0022] S2、在嵌入式計(jì)算機(jī)中，平衡控制單元將嵌入式計(jì)算機(jī)解算出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)代入 PID控制器，控制直立平衡車的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)直立平衡車的平衡控制；同時(shí)，圖像處理單元 對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)獲取的跑道灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)二值化處理，識(shí)別出特定的使用以黑線 為邊緣的跑道，通過對(duì)跑道的邊界進(jìn)行邊緣特征計(jì)算，得到跑道的路況，并通過嵌入式計(jì)算 機(jī)向直立平衡車的電機(jī)發(fā)出差速信號(hào)，從而實(shí)時(shí)跟蹤軌道。
[0023] 作為一種優(yōu)選方案，步驟S1所述嵌入式計(jì)算機(jī)對(duì)姿態(tài)角數(shù)據(jù)的解算，具體如下：
[0024] 靜態(tài)姿態(tài)角解算按下列公式計(jì)算，解算出的姿態(tài)角為橫滾角、俯仰角兩個(gè)姿態(tài)：
[0027] 其中，ax，ay，az為正交的三軸加速度數(shù)據(jù)，中〇:為靜態(tài)俯仰角，P。為靜態(tài)橫滾角，設(shè) 置a y與電機(jī)軸正交，則有效靜態(tài)姿態(tài)角數(shù)據(jù)為斗。:角；
[0028] 加入陀螺儀數(shù)據(jù)《做動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合，取《x與電機(jī)軸平行，則融合后的動(dòng)態(tài)俯仰 角為：
[0030] 其中，Confidence^。為陀螺儀的置信度，Confidence _6為加速度計(jì)的置信度。
[0031] 作為一種優(yōu)選方案，步驟S2所述PID控制器按下列公式計(jì)算：
[0033] 其中，Kp為控制器比例增益系數(shù)，L為控制器積分系數(shù)，Kd為控制器微分系數(shù)，e為 誤差；
[0034] 使用嵌入式計(jì)算機(jī)控制時(shí)作離散化：
[0036] 其中，e為姿態(tài)角偏離平衡角度的數(shù)值，u為直接輸出到電機(jī)的占空比，ek和ek_^ 別表示k和k-1時(shí)刻的偏差。
[0037] 作為一種優(yōu)選方案，步驟S2所述動(dòng)態(tài)二值化采用Bernsen算法，該Bernsen算法 描述如下：
[0039] 其中，f(i，j)為圖像在像素點(diǎn)（i，j)處的灰度值，T(i，j)為圖像中各個(gè)像素點(diǎn) (i，j)的二值化閾值；
[0040] 對(duì)圖像中各像素點(diǎn)（i，j)用二值化函數(shù)b(i，j)逐點(diǎn)進(jìn)行二值化，b(i，j)函數(shù)如 下：
[0042] 經(jīng)二值化后的圖像，其跑道邊緣將會(huì)有一個(gè)強(qiáng)烈的上升沿，通過嵌入式計(jì)算機(jī)識(shí) 別該上升沿的跳變即識(shí)別出跑道邊緣。
[0043] 本發(fā)明的第三個(gè)目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：
[0044] 直立平衡車，包括車體、左車輪、右車輪以及電機(jī)，所述左車輪和右車輪設(shè)置在車 體的底部兩邊，所述電機(jī)帶動(dòng)左車輪和右車輪運(yùn)動(dòng)，還包括上述自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)；其中，所述 IMU傳感器和嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)置在車體內(nèi)，所述攝像頭傳感器設(shè)置在車體頂部，所述嵌入式 計(jì)算機(jī)與電機(jī)連接。
[0045] 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果：
[0046] 1、本發(fā)明的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)采用攝像頭進(jìn)行平面式的導(dǎo)航，能夠有效預(yù)測前方路 況，進(jìn)行更加有效的預(yù)測控制，提高了控制精度；此外，得益于頂U(kuò)傳感器的采樣速率及嵌 入式計(jì)算機(jī)的處理速率，控制精度也大幅提高。
[0047] 2、本發(fā)明的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)可以對(duì)獲取的跑道灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)二值化處理， 識(shí)別出特定的使用以黑線為邊緣的跑道，通過對(duì)跑道的特征計(jì)算，得出跑道的轉(zhuǎn)向特征、直 線特征、十字特征等路況，并通過嵌入式計(jì)算機(jī)向直立平衡車的電機(jī)發(fā)出差速信號(hào)，即可對(duì) 給定的跑道進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測跟蹤。
[0048] 3、本發(fā)明的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)可以應(yīng)用在直立平衡車上，與傳統(tǒng)的四輪車相比，更加 輕便、靈巧，在能耗方面，而且由于直立平衡車的自身特點(diǎn)，其能耗相對(duì)而言也比四輪車低。
[0049] 4、本發(fā)明的直立平衡車輕便、安全、環(huán)保，由于應(yīng)