一種智能汽車競賽的燈塔檢測及路徑規(guī)劃方法

楊超，劉晨暉，楊肖，趙春鋒，汪敬華

（上海工程技術大學工程實訓中心，上海 201620）

0 引言

全國大學生“恩智浦”杯智能汽車競賽由教育部高等教育司委托教育部高等學校自動化類專業(yè)教學指導委員會主辦、以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學生的一種具有探索性工程實踐活動。該競賽過程包括理論設計、實際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場比賽等環(huán)節(jié)，要求學生組成團隊，協(xié)同工作，初步體會一個工程性的研究開發(fā)項目從設計到實現(xiàn)的全過程。2018年第十三屆“恩智浦”杯智能車競賽中，設立信標對抗組競賽。本文分析了智能汽車如何識別特定的信標燈塔，并給出了相應的有效路徑處理方法。

選手制作的車模開始位于發(fā)車區(qū)域內(nèi)，此時所有的信標都是熄滅狀態(tài)。開始比賽后，比賽系統(tǒng)自動會啟動第一個信標，信標會發(fā)送聲比賽計時控制系統(tǒng)發(fā)車區(qū)光導引信號。此時選手的車模能夠識別確定信標的方位并做定向運動。當車模上安放的磁標進入信標附近的感應線圈后，比賽系統(tǒng)會自動切換點亮到下一個信標，車模隨機前往第二個點亮的信標。此過程將會依次進行10次左右。最終比賽時間是從當一個信標點亮，到后一次信標熄滅為止。比賽場地示意圖如圖1所示。

圖1比賽場地示意圖

1 系統(tǒng)概述

智能車的整個系統(tǒng)分為為機械結(jié)構、控制模塊、控制算法等三部分。智能車的工作模為：攝像頭采集賽場上的圖像輸入單片機K60，經(jīng)過圖像二值化處理確定閃亮的信標燈的坐標位置，K60輸出相應的PWM信號到舵機，控制舵機打角使車模轉(zhuǎn)向進入尋跡狀態(tài)，左右后輪分別安裝光電編碼器，實時反饋脈沖信號到K60，K60經(jīng)過FTM模塊正交解碼得到左右后輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，進而使用PID控制算法對車速進行控制，控制途徑為通過PID控制算法計算出正確的車速，再由K60輸出相應的PWM信號到半橋驅(qū)動器IR2104。通過以上過程實現(xiàn)了智能車的閉環(huán)控制，完成整個比賽過程。圖2為系統(tǒng)概述流程示意圖。

圖2系統(tǒng)概述流程圖

2 信標燈塔及引導信號

信標燈機械部分由三部分組成：白色圓柱形燈罩、金屬底座、固定底盤。圓柱形燈罩為白色熟料，可以透徹燈罩中的紅色和紅外光線。金屬底座固定在底盤上、支持燈罩。比賽場地內(nèi)的藍色背景布鋪設在底盤上面，底盤的厚度在3到5毫米之間。信標燈塔如圖3所示。

圖3信標燈塔

“恩智浦”杯智能汽車競賽組委會為了拓展廣大參賽學生的思想深度及增加競賽的多元性，使得信標燈塔有了多種信號組合的多種方式的引導方式。信標燈塔在點亮后會同時發(fā)送10Hz的紅色與紅外信號。信標燈塔紅光與紅外信號波形如圖4所示。

3 引導信號信息提取及路徑規(guī)劃策略

3.1 賽道信息提取

由于需要采集整個賽道場地的信息，故選擇了可以監(jiān)測視野廣闊的全局攝像頭MT9V032來采集場地信息。MT9V032拍攝一幀圖像的大小為180×120個灰度（0-255）像素點，設置的參考幀率為50幀/秒。圖5所示為MT9V032攝像頭輸出時序圖。

圖4信標燈塔紅光與紅外信號波形圖

圖5 MT9V032輸出時序圖

3.2 二值化處理

由于MT9V032采集到的是灰度值范圍為0-255的灰度圖像，灰度圖像在能還原賽場環(huán)境?；叶葓D像含有賽場環(huán)境較為復雜的信息，需要對灰度圖像再進行二值化處理，即將復雜的圖像簡化。將256個亮度等級的灰度圖像通過選取適當?shù)拈撝岛笫沟盟行∮谠撻撝档南袼攸c為黑色，則所有大于上述閾值的像素點為白色，所以最終的圖像為一幅黑白二值圖像。然而賽場環(huán)境很復雜包括光線亮度不同，二值化閾值也不盡相同。所以圖像處理中二值化閾值的選取非常重要。另外采用實時調(diào)節(jié)閾值算法，從而更好地適應賽場環(huán)境，減小其他的干擾。圖6為圖像二值化示意圖。

圖6二值化圖像

3.3 信標燈塔位置計算

通過采集信標燈塔發(fā)出的紅外信號來提取目標。為了濾除其他波段的光線，在攝像頭的鏡頭內(nèi)側(cè)加入了紅外濾光片，再通過選裝偏振片或調(diào)節(jié)二值化閾值的大小濾除賽道反光干擾，即可得到一個不規(guī)則的圓形光斑。圓形光斑通過逐行逐列掃描120行×180列的圖像，記錄并存儲白色像素點。對于圓形光斑，可以采用圖像簡化的方法，通過選取圓形光斑最寬行、最寬行的中間列，確定出圓斑中心點，從而把圓斑簡化為一個白點。由此算出的信標燈塔的代替點較為穩(wěn)定，且不易跳動，且跳動范圍仍在信標燈大概中心范圍內(nèi)。圖7為信標燈塔位置計算示意圖。

圖7信標燈塔位置計算

3.4 路徑規(guī)劃策略

信標場地不同于傳統(tǒng)的賽道組，沒有明確的路徑指向性，只能以點亮的信標燈塔作為大致的循跡方向，后來考慮到路徑正對信標燈塔中心時會因為車速過快而撞上和最短路程原理，所以采用了最近路程切入線圈滅燈的繞行方式。繞行滅燈方式如圖8所示，1或2路徑均可，但考慮到最短路徑，最優(yōu)路徑應為1號路徑。

圖8繞行滅燈方式

4 結(jié)語

如何精確地檢測點亮的信標燈塔并迅速控制小車向著最短的路徑滅燈對于信標對抗賽整體速度的提高有著非常重要的作用。本文所述的信標燈塔檢測方法及最短路徑規(guī)劃在第十三屆“恩智浦杯”智能汽車競賽中得到實際的應用并取得了一定的成績，經(jīng)檢驗為一種有效的檢測信標燈塔、合理規(guī)劃路徑的方法。