基于顏色識(shí)別的智能小車(chē)集群控制

孫江正，孫春霞

（蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，蘭州730070）

引 言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，基于小型便攜式識(shí)別和集群控制技術(shù)較傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)具有更廣闊的應(yīng)用。基于攝像頭的顏色識(shí)別技術(shù)較一般傳感器定位和采集技術(shù)具有穩(wěn)定性和可移動(dòng)等方面的優(yōu)勢(shì)[1]，在生產(chǎn)車(chē)間自動(dòng)物料配送車(chē)的循跡以及基于顏色的物料提取中具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。而集群控制作為一種新生的控制方式，在大范圍、多控制對(duì)象的控制方面具有舉足輕重的作用，如太陽(yáng)能發(fā)電板的集群控制、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的集群控制以及大型舞臺(tái)劇中的燈光集群控制。而本文中的小車(chē)集群控制是將顏色識(shí)別與集群控制的較好方式。小車(chē)位置及方向信息通過(guò)攝像頭的顏色識(shí)別技術(shù)獲取，處理之后傳送到STM32進(jìn)行校驗(yàn)，并通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送出去，驅(qū)動(dòng)多輛小車(chē)按指定的路線行走，從而實(shí)現(xiàn)集群控制。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)架

本文中的設(shè)計(jì)系統(tǒng)由智能小車(chē)和攝像頭控制模塊兩部分組成，為滿足集群控制的需要選用3輛小車(chē)，小車(chē)由兩輪驅(qū)動(dòng)，便于在行走過(guò)程中調(diào)節(jié)方向。每輛小車(chē)搭載NRF無(wú)線模塊和測(cè)速模塊，可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量以及速度調(diào)整。跑道的正上方是USB攝像頭，通過(guò)5 m長(zhǎng)的延長(zhǎng)線與地面的主控板相連接。為滿足數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理及多任務(wù)控制的需要，主控板采用Tiny2440四核Cortex-A9核處理器，搭載Linux系統(tǒng)，通過(guò)QT的設(shè)計(jì)使得操作界面美觀易操作。為減輕處理器內(nèi)核的負(fù)擔(dān)以及確保傳送指令的準(zhǔn)確性[3]，指令的校驗(yàn)工作由外圍的STM32芯片處理，并通過(guò)nRF模塊與小車(chē)通信。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主控制器硬件結(jié)構(gòu)

Exynos 4412采用哈佛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得數(shù)據(jù)和代碼的讀取速率較高，而其特有的四核處理器具有1.5 GHz的主頻，使得對(duì)攝像頭采集數(shù)據(jù)的處理更加實(shí)時(shí)，并流暢支持1280×800高清屏，可通過(guò)LCD屏指定小車(chē)路線范圍，實(shí)施控制。控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 智能控制結(jié)構(gòu)

智能小車(chē)對(duì)于接收指令的實(shí)時(shí)響應(yīng)決定了最終的控制效果，本文中的智能小車(chē)采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6作為控制芯片，通過(guò)產(chǎn)生的PWM信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在實(shí)際控制過(guò)程中需要涉及到小車(chē)的定向旋轉(zhuǎn)，以及直線行駛的問(wèn)題，于是在小車(chē)中引入了光電紅外對(duì)射管作為小車(chē)的測(cè)速模塊。

當(dāng)直線行駛時(shí)，小車(chē)將通過(guò)測(cè)速碼盤(pán)的脈沖輸出來(lái)判斷轉(zhuǎn)速的大小，從而作出左右輪轉(zhuǎn)速的調(diào)整。同時(shí)小車(chē)會(huì)將調(diào)整的結(jié)果存入到內(nèi)部Flash中作為下一次啟動(dòng)時(shí)的調(diào)整數(shù)據(jù)，這樣只要在實(shí)際運(yùn)行前做測(cè)試調(diào)整，小車(chē)就會(huì)在直線行駛時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)地的阻力誤差記憶。小車(chē)控制板結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.3 小車(chē)定位方式

小車(chē)的頂部色盤(pán)必須同時(shí)具備小車(chē)位置定位和方向定位功能。由于通過(guò)形狀定位的傳統(tǒng)方式對(duì)攝像頭要求過(guò)高且識(shí)別精度有較大誤差，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)圓盤(pán)的顏色識(shí)別方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。小車(chē)頂部色盤(pán)如圖4所示。

圖4 小車(chē)頂部色盤(pán)

2.4 小車(chē)的控制指令

小車(chē)的控制數(shù)據(jù)由8個(gè)字節(jié)組成，如下所示：

其中，1、2、3、8為指令校驗(yàn)碼，4～7為指令內(nèi)容。第1個(gè)字節(jié)到第3個(gè)字節(jié)表示數(shù)據(jù)頭，都是0x80。第8個(gè)字節(jié)表示數(shù)據(jù)尾，是0x81。這樣只有出現(xiàn)數(shù)據(jù)頭的字節(jié)，其后面的內(nèi)容才被小車(chē)識(shí)別為有用的數(shù)據(jù)，使得小車(chē)正確運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)尾的出現(xiàn)代表對(duì)小車(chē)的控制結(jié)束。

數(shù)據(jù)內(nèi)容為發(fā)送控制指令的具體形式。小車(chē)有以下幾個(gè)命令。

（1）直線前進(jìn)

（2）停止

（3）原地轉(zhuǎn)向

小車(chē)轉(zhuǎn)向的幅度可以從0x01到0x1f，方向0x01代表右轉(zhuǎn)，0x02代表左轉(zhuǎn)。

④小車(chē)左右輪前進(jìn)

2.5 小車(chē)搭載色盤(pán)顏色的確定

由于USB攝像頭采集到的顏色數(shù)據(jù)為YUV格式，需要將其轉(zhuǎn)換成RGB格式來(lái)顯示。所以在確定小車(chē)搭載定位色盤(pán)的顏色時(shí)需要選定特殊的顏色，以使得采集到的數(shù)據(jù)容易被分辨。本設(shè)計(jì)在原色選擇時(shí)采用Y、U、V為三維坐標(biāo)軸使得色盤(pán)的YUV分量之間存在一定差距，再通過(guò)公式將其轉(zhuǎn)換成RGB基色值[6]。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 主控軟件系統(tǒng)

軟件平臺(tái)為L(zhǎng)inux Kernel 3.5、Qtopia-2.2.0；交叉編譯環(huán)境為嵌入式QT、arm-linux-gcc；開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C＋＋。

3.2 顏色識(shí)別算法

此模塊在一個(gè)線程中，先讀取配置文件，得到各個(gè)顏色的Y、U、V平均值，然后從攝像頭取得一幀的圖像，按行掃描每個(gè)像素，根據(jù)Y、U、V平均值確定Y、U、V的閥值對(duì)像素的Y、U、V值進(jìn)行匹配，從而確定像素的顏色。程序把各個(gè)顏色的像素點(diǎn)分類(lèi)，同一顏色的像素點(diǎn)坐標(biāo)放在一起，然后算出同一顏色像素點(diǎn)的中心坐標(biāo)。然后通過(guò)表1對(duì)應(yīng)到小車(chē)的坐標(biāo)。

表1 小車(chē)顏色像素坐標(biāo)

得到3輛小車(chē)的中心點(diǎn)坐標(biāo)和方向點(diǎn)坐標(biāo)后，存放在內(nèi)存中，供其他模塊調(diào)用。攝像頭采集數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示。

圖5 攝像頭采集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)流圖

3.3 集群防碰撞控制算法

集群小車(chē)在行走的過(guò)程中為了防止相互之間的碰撞，必須采用相應(yīng)的防碰撞措施。在本設(shè)計(jì)中采用角度與距離來(lái)實(shí)現(xiàn)防碰撞控制，當(dāng)小車(chē)1和2之間的距離L＜L′時(shí)，L′為—固定值，意味著兩車(chē)之間有碰撞的可能性[7]，此時(shí)需對(duì)小車(chē)1的運(yùn)動(dòng)方向與兩車(chē)連線之間的夾角進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)r＜r′時(shí)，則小車(chē)1停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)不滿足夾角r′要求時(shí)，小車(chē)1則不會(huì)停止[8]，r′為—固定值。兩小車(chē)防碰撞原理圖如圖6所示。

圖6 兩小車(chē)防碰撞原理圖

小車(chē)在防碰撞過(guò)程中若出現(xiàn)全部車(chē)輛停止（即進(jìn)入鎖死狀態(tài)），則啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，使邊緣小車(chē)在原地向鎖死反方向轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，并行走一段距離，以解除鎖死狀態(tài)[9]。

3.4 小車(chē)控制軟件流程圖

小車(chē)控制軟件流程圖如圖7所示。

圖7 小車(chē)控制軟件流程圖

4 整體性能測(cè)試

為防止因環(huán)境顏色和光照的影響，測(cè)試場(chǎng)地為一塊2 m×3 m的長(zhǎng)方形布料，剛好是攝像頭的拍攝范圍。

①小車(chē)測(cè)試。通過(guò)直線行駛指令，將小車(chē)放在測(cè)試場(chǎng)地中，使小車(chē)直線行駛一段距離。小車(chē)將獲得兩個(gè)不同的PWM信號(hào)占空比，作為下一次啟動(dòng)時(shí)的配置參數(shù)。

②小車(chē)頂部色盤(pán)像素的采集。為消除因光照強(qiáng)度所引起的顏色誤差，需先將與小車(chē)頂部色盤(pán)相同顏色的紙片放在場(chǎng)地中間，攝像頭將采集這一坐標(biāo)的像素值作為參考值[5]，用于實(shí)際測(cè)試過(guò)程中的顏色識(shí)別與定位。

③為小車(chē)設(shè)置起跑路線圖。通過(guò)LCD屏，在上面為小車(chē)指定運(yùn)動(dòng)的路線圖，其后小車(chē)將按照設(shè)定的軌跡行走。行駛過(guò)程中小車(chē)很好地實(shí)現(xiàn)了集群之間防碰撞的功能。

小車(chē)路線圖如圖8所示。

圖8 LCD上指定的小車(chē)路線圖

結(jié) 語(yǔ)

基于顏色識(shí)別的集群控制系統(tǒng)，可以通過(guò)顏色的采集來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，是自動(dòng)控制和人工智能方面的一種可行方式，具有運(yùn)行穩(wěn)定、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。而多控制對(duì)象的集群控制理論的研究，使得多目標(biāo)協(xié)同工作成為可能。基于此模式的智能控制設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]周見(jiàn)行，高紅俐，齊子誠(chéng).基于基于攝像頭自動(dòng)跟蹤定位的疲勞裂紋在線測(cè)量方法研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2011，11（6）：1302-1304.

[2]秦峰，劉甜甜，尤海鵬.基于圖像識(shí)別的水下機(jī)器人自主避障系統(tǒng)[J].兵工自動(dòng)化，2012，31（11）：87-89.

[3]王鵬，秦文進(jìn).基于ARM和FPGA的嵌入式工業(yè)控制器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014，1（1）：53-55.

[4]潘浩，楊宜民.一種基于光照變化補(bǔ)償?shù)念伾R(shí)別方法[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012，4（3）：201-204.

[5]李貴俊，劉正熙，游志勝，等.一種基于色差和彩色歸一化的車(chē)身顏色識(shí)別算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004，24（9）：47-49.

[6]王志剛，王慶.一種分級(jí)的車(chē)牌顏色識(shí)別方法[J].計(jì)算機(jī)過(guò)程與應(yīng)用，2008，44（24）：178-180.

[7]趙剛，黃席樾.障礙空間中的飛行器編隊(duì)與集群控制研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009（2）：92-96.

[8]Wang X，V Yadav，S N Balakrishnan.Cooperative UAV Formation Flying with Obatacal Collision Avoidance[J].The IEEE Trans.on Control System Technology（S1063-6536），2007，15（4）：672-679.

[9]Balch T，R C Arkin.Behavior-based Formation Control for Multirobot Teams[J].The IEEE Trans on Robotics and Automation（S1042-296），2008，14（6）：926-939.