自動循跡移動載體的設計與制作

蔡昭嶸 上海工程技術大學城市軌道交通學院

1 引言

本文所研究的自動循跡移動載體利用飛思卡爾k60作為主控系統(tǒng)，特點為價格低廉、功能強大，可以進行圖像識別和自動循跡，同時具有很小的體積和功耗，在未來可以搭載其他的傳感器深入危險區(qū)域作排查故障無人機械。也可以在管道檢查等需要循跡的領域發(fā)揮特殊作用。

2 機器人如何實現(xiàn)自動導引

路徑識別我們采用邊沿提取的方式。

邊沿提取算法的基本思想如下：

(1) 直接對其進行掃描原始圖像，根據(jù)設定的參數(shù)提取黑白跳變點；

(2) 路徑寬度要確定一個范圍，在確定的路徑寬度范圍內提取有效路徑邊側，這樣可以避免不在寬度范圍內的干擾；

(3) 利用路徑的連續(xù)性，根據(jù)上一行白塊的位置和邊沿的位置來確定本行的邊沿點；

在提取邊側后我們需要通過之前提取的賽道邊沿數(shù)據(jù)推算中心：當左右邊沿點總數(shù)較少時往回；若只有單邊有邊沿點數(shù)據(jù)，則通過校正對單邊數(shù)據(jù)按法線平移賽道寬度一半的距離；當能找到與一邊能匹配上的另一邊沿點時則直接求其中心作為中心點。推算完中心點后，對中心點進行均勻化，方便之后的控制。

最后我們通過優(yōu)化加權算法來優(yōu)化路徑。因為若對整場有效行的中心求加權平均值的算法，在低速情況下可以有效地優(yōu)化路徑，但在載體速度提高到一定程度之后由于過彎時的側滑，路徑不是很好。 當速度過高已達到臨界值時，會使傳輸?shù)膱D像不清晰，導致所求加全值數(shù)據(jù)不準確。因此整場圖像求加權的算法對于高速情況 下的路徑優(yōu)化效果不是很明顯。

為了解決這個問題，我們對于參與加權計算的圖像行數(shù)及權重進行了處理， 減小了車體前部一定范圍內的圖像參與加權的行數(shù)和權重，同時增大視場前部圖像的權重。在經(jīng)過各種參數(shù)加入測試性試驗后，終于得到了所需求的準確而有效的參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過這一套數(shù)據(jù)的加入，可以使小車在告訴行駛狀態(tài)下也能傳輸高效準確的載體路徑。

3 電機驅動方案

方案一：直流電機。

直流電機采用H型PWM電路進行操控，通過改變電機電源電壓的極性來實現(xiàn)直流電機的正反轉。電壓極性的變化和運轉時間的長短由單片機來控制實現(xiàn)，由于電壓調整范圍很難達到高精確度，因此很難達到本系統(tǒng)所需要的精確度。

方案二：步進電機。

步進電機擁有慣性小、響應頻率高的特點，因此具有別的電機所不具備的瞬間啟動與急速停止的優(yōu)越特性；正常情況下可以不需要對處理中心進行反饋就能對位移或速度進行較為精確的控制。

4 傳感器設計方案

4.1 使用接近開關傳感器來對路面信息進行采集

接近開關傳感器由于能以非接觸方式進行檢測，所以不會損傷檢測物體。再者因為其采用的是無接點輸出方式，所以壽命延長采用半導體進行輸出，其對接點的壽命沒有影響。接近開關傳感器與光檢測的方式有很大區(qū)別，它適合在水和油等環(huán)境下使用檢測時幾乎不受檢測對象的影響。其中還包括特氟龍外殼型及耐藥品良好的產品。與接觸式開關相比，其可實現(xiàn)接觸式開關所無法達到的高速響應。能對應不同的溫度范圍。幾乎不受檢測物體顏色的影響對檢測對象的物理性質變化進行檢測。

4.2 使用光電傳感器來采集路面信息

使用光電傳感器最大的優(yōu)點就是結構簡明、使用方便、成本較低。可以免去繁瑣的圖像處理工作，但是光電傳感器所獲取的信息是不完全的，只能夠對路面情況作簡單的判斷，受距離檢測較短的影響，而且容易受到諸多的干擾。

5 總結

本文通過對機器人自動循跡系統(tǒng)設計運動行跡以及對驅動器的分析與參考設計做各種實驗以確認最適宜自動載體運行的驅動裝置，通過對各類傳感器的分析與檢測，以此來確認最終自動載體開關與感應器的設計形式與設計方向。還通過各類參考文獻，以此來確認設計方向與設計思路和對材料選取的各類要求。自動循跡載體屬于新型科技設計，這對于人類生活有極大的幫助與促進作用，相信以后對于自動循跡系統(tǒng)的科學研究會有更深層次的進步。