一种基于机器视觉的光电目标搜索车及其控制方法与流程

本发明属于智能车技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的光电目标搜索车及其控制方法。

背景技术：

随着人工智能时代的来临，以及产业升级的加速，不论是传统制造业，还是目前遍布全国的电商企业，都在抓紧进行企业的技术升级与产业改造。人工智能最大的应用优势就是能降低人工成本。因为随着中国社会老龄化的加剧，随之而来的人口红利的效应会逐渐殆尽，人工成本会逐渐升高。另一方面，我国的产业升级正在加剧，服务业占比提高是必然的事，这也意味着，将来越来越多的人会从事服务业，制造业的提供的劳动岗位的占比也必然会下降，因此制造业向高度自动化、无人化、智能化的发展是符合社会发展趋势的。

在智能物流领域，以京东为代表的电商物流企业正在加速升级改造，建造无人仓库等等。因此智能仓库中各类智能运载工具更是智能仓库的主角。在一些码头，无人运载车也正在取代有人驾驶工程车辆。

而对于现有的智能车辆，定制化程度高、成本高，不利于中小企业的升级改造，且中小企业的需求更加多元化。因此低成本的具有目标识别、执行特定机械动作的智能车辆的研究的开展是必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供鲁棒性好、可操作性强的一种基于机器视觉的光电目标搜索车。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括四轮双驱车身和扩展板；所述的四轮双驱车身包括底盘，底盘的首部和尾部分别设有一组双轮驱动装置；所述的底盘上安装有转向舵机、正交福来轮装置和电池；所述的扩展板设置在底盘上方，扩展板通过支撑柱与底盘连接；所述的扩展板下表面安装有控制核心板，在扩展板上表面前部设有机械动作装置，在扩展板上表面中部安装有柱，在支柱上安装有摄像头；所述的机械动作装置包括伸缩杆和遮挡舵机；所述的遮挡舵机安装在扩展板上表面前部；所述的伸缩杆的头部为弧形结构，伸缩杆的尾部与遮挡舵机连接；所述的控制核心板集成stm32芯片、陀螺仪、稳压模块、串口、遮挡舵机接口、转向舵机接口和电源接口；所述的遮挡舵机、转向舵机和电池分别通过对应接口与控制核心板连接。

本发明还可以包括：

所述的正交福来轮装置包括第一福来轮、第一编码器、第二福来轮和第二编码器；所述的第一福来轮和第二福来轮正交地固定在四轮双驱车身的底盘上，第一福来轮和第一编码器连接，第二福来轮和第二编码器连接，第一编码器和第二编码器的信号线都与控制核心板连接。

所述的伸缩杆包括直杆和异形杆，直杆和异形杆均为片状；所述的直杆的一端设有舵机舵盘，直杆的另一端开有长通孔；所述的异形杆包括上直杆和弧形杆；所述的上直杆的一端开有长通孔，上直杆的另一端与弧形杆连接；所述的直杆开设有长通孔的端部与与上直杆开有长通孔的端部螺栓连接，直杆的另一端通过舵机舵盘与遮挡舵机连接。

本发明的目的还在于提供一种基于机器视觉的光电目标搜索车的控制方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：具体包括以下步骤：

步骤1：程序初始化；

步骤2：原地旋转，固定转向舵机角度，固定速度，寻找目标；

步骤3：判断是否捕获目标：如果捕获目标，进入步骤4；如果未捕获目标，返回步骤2；

步骤4：判断目标处于近端或者远端：如果目标处于近端，进入步骤8；如果目标处于远端，进入步骤5；

步骤5：根据摄像头判断目标方位，调整转向舵机，驱动电机靠近目标；

步骤6：判断是否丢失目标：如果丢失目标，进入步骤2；如果未丢失目标，进入步骤7；

步骤7：判断是否处于近端：如果处于近端，进入步骤8；如果目标不处于近端，进入步骤5；

步骤8：进行第一阶段减速：降低电机的输出功率；

步骤9：判断是否丢失目标：如果丢失目标，进入步骤17；如果未丢失目标，进入步骤10；

步骤10：进行第二阶段强制减速：使电机反转；

步骤11：判断是否丢失目标：如果丢失目标，进入步骤17；如果未丢失目标，进入步骤12；

步骤12：微距判别：根据摄像头捕获的信息，判断是否与目标处于指定距离；

步骤13：判断是否丢失目标：如果丢失目标，进入步骤17；如果未丢失目标，进入步骤14；

步骤14：停车；

步骤15：判断是否丢失目标：如果丢失目标，进入步骤17；如果未丢失目标，进入步骤16；

步骤16：执行机械动作，然后进入步骤17；

步骤17：倒车，然后进入步骤2。

本发明的有益效果在于：

本发明的一种基于机器视觉的光电目标搜索车鲁棒性好、可操作性强。本发明采用单个摄像头就可以实现目标的跟踪接近，降低了成本；采用陀螺仪与正交福来轮装置提供高精度的定位以及良好的动作执行能力。

附图说明

图1是本发明的一种基于机器视觉的光电目标搜索车的总体结构示意图。

图2是本发明的一种基于机器视觉的光电目标搜索车的正视图。

图3是本发明的一种基于机器视觉的光电目标搜索车的俯视图。

图4是本发明的一种基于机器视觉的光电目标搜索车的前视图。

图5是本发明的一种基于机器视觉的光电目标搜索车的后视图。

图6是本发明的一种基于机器视觉的光电目标搜索车的机械动作装置细节示意图。

图7是本发明的一种基于机器视觉的光电目标搜索车的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明属于智能车领域，尤其涉及一种基于机器视觉的光电目标搜索车及其控制方法。本发明的一种基于机器视觉的光电目标搜索车鲁棒性好、可操作性强。

一种基于机器视觉的光电目标搜索车，包括机械动作装置、摄像头模块和车体；车体包括四轮双驱车身1、正交福来轮装置2、扩展板3、控制核心板4、转向舵机5和电池6；控制核心板4集成stm32芯片、陀螺仪、稳压模块、串口、遮挡舵机接口、转向舵机接口和电源接口；转向舵机5和电池6固定在四轮双驱车身1的底盘上，转向舵机5与控制核心板4通过转向舵机接口连接，电池6与控制核心板4通过电源接口连接；扩展板3通过螺柱固定在四轮双驱车身1的底盘上方；控制核心板4固定在扩展板3的下表面，位于扩展板3与四轮双驱车身1的底盘之间；正交福来轮装置2固定在四轮双驱车身1的底盘上；机械动作装置和摄像头模块固定在扩展板3上。

所述的机械动作装置包括伸缩杆和遮挡舵机7，伸缩杆包括直杆8和异形杆9两部分，直杆8和异形杆9都为片状；直杆8的一端为舵机舵盘，直杆8的另一端开有长通孔；异形杆9包括上直杆和弧形杆，上直杆的一端开有长通孔，上直杆的另一端与弧形杆连接；直杆8和异形杆9通过第一螺栓10和第二螺栓11连接，第一螺栓10和第二螺栓11都穿过直杆8的长通孔和异形杆9的长通孔；伸缩杆的舵机舵盘与遮挡舵机7连接。

所述的摄像头模块包括摄像头12和摄像头支柱13；摄像头支柱13通过螺杆固定在扩展板3上，摄像头12固定在摄像头支柱13上；

所述的机械动作装置的遮挡舵机7通过螺栓固定在扩展板3上，摄像头模块的摄像头12与控制核心板4通过串口连接，机械动作装置的遮挡舵机7与控制核心板4通过遮挡舵机接口连接。

所述的正交福来轮装置2包括第一福来轮、第一编码器、第二福来轮、第二编码器；第一福来轮和第二福来轮正交地固定在四轮双驱车身的底盘上，第一福来轮和第一编码器连接，第二福来轮和第二编码器连接，第一编码器和第二编码器的信号线都与控制核心板4连接。

一种基于机器视觉的光电目标搜索车的控制方法，包含如下步骤：

步骤(1)：程序初始化；

步骤(2)：原地旋转，固定转向舵机角度，固定速度，寻找目标；

步骤(3)：判断是否捕获目标：如果捕获目标，进入步骤(4)；如果未捕获目标，返回步骤(2)；

步骤(4)：判断目标处于近端或者远端：如果目标处于近端，进入步骤(8)；如果目标处于远端，进入步骤(5)；

步骤(5)：根据摄像头判断目标方位，调整转向舵机，驱动电机靠近目标；

步骤(6)：判断是否丢失目标：如果丢失目标，进入步骤(2)；如果未丢失目标，进入步骤(7)；

步骤(7)：判断是否处于近端：如果处于近端，进入步骤(8)；如果目标不处于近端，进入步骤(5)；

步骤(8)：进行第一阶段减速：降低电机的输出功率；

步骤(9)：判断是否丢失目标：如果丢失目标，进入步骤(17)；如果未丢失目标，进入步骤(10)；

步骤(10)：进行第二阶段强制减速：使电机反转；

步骤(11)：判断是否丢失目标：如果丢失目标，进入步骤(17)；如果未丢失目标，进入步骤(12)；

步骤(12)：微距判别：根据摄像头捕获的信息，判断是否与目标处于指定距离；

步骤(13)：判断是否丢失目标：如果丢失目标，进入步骤(17)；如果未丢失目标，进入步骤(14)；

步骤(14)：停车；

步骤(15)：判断是否丢失目标：如果丢失目标，进入步骤(17)；如果未丢失目标，进入步骤(16)；

步骤(16)：执行机械动作，然后进入步骤(17)；

步骤(17)：倒车，然后进入步骤(2)。

本发明的有益效果为：

本发明采用单个摄像头就可以实现目标的跟踪接近，降低了成本；采用陀螺仪与正交福来轮装置提供高精度的定位以及良好的动作执行能力。

实施例1：

为了控制成本，以及考虑到未来的应用场景，图像识别的摄像头选择openmv，openmv模块的处理器芯片为stm32f7芯片，还可配一枚标准m12镜头或者其他的镜头，接口都能兼容。stm32f7芯片是基于armcortexm7架构，核心频率是216mhz，还有512kbram和2mbflash。并且所有的i/o引脚而可以输出3.3v，最高还能承受5v。stm32f7芯片216mhz的频率足以处理m12镜头接收到的静态的图片数据或者是动态的视频数据，512kbram和2mbflash也能够满足大多数情况下的程序烧写以及数据处理的需要。stm32f7可以满足预想的使用场景对图像处理的运算速度和运算规模的要求。

为了处理摄像头模块发来的数据、提供外设接口、运行控制主程序，需要设计一个控制核心板。考虑到实际使用时控制核心板数据吞吐量的大小，选择stm32f103rbt6作为处理器，stm32f103rbt6的主频为72mhz，还有20kb的ram和128kb的flash，以及51个通用io口。stm32f103rbt6还具有低电压和节能两大优点。能够兼容主流的电池技术，如锂电池和镍氢电池，stm32f103rbt6的封装里还有一个电池工作模式专用引脚vbat；执行程序时，仅消耗27ma电流。通用io口的数量已经足够需要的其他外部设备的使用。需要为之留接口的外部设备有红外对管、舵机、电机、摄像头。stm32f103rbt6芯片具有足够多的接口，丰富的输出选择，以及较强的数据处理能力，能够满足移动载具行进过程中对数据处理能力的要求。

控制核心板集成了单电源电平转换芯片max232、低压差电压调节器lm1117、有刷电机驱动ictb6612fng。单电源电平转换芯片max232的功能是把单片机输出的ttl电平，转换成pc机能接收的232电平；或者是把pc机输出的232电平转换成单片机能接收的ttl电平，之所以需要是因为在使用串口与pc机进行通信时，虽然单片机能够进行串行通信，但是pc机和单片机的信号电平的标准不太一样，因此需要使用max232进行转换。max232芯片还有以下的特点：只需要单一5v电源供电，内部集成了共两个rs-232c驱动器。使用时应该注意不能热插拔。低压差电压调节器lm1117，在控制核心板中用于将5v电压稳定在3.3v，以给单片机供电，此外，低压差电压调节器lm1117还提供电流限制功能以及过热保护功能，能提高控制核心板的使用寿命，提高容错率。有刷电机驱动ictb6612fng用于驱动给移动载具提供动力的两枚有刷电机，tb6612fng是双驱动，意思就是可以直接驱动两个电机，它的pwm的支持的频率最高能达到100khz。tb6612fng根据控制信号使电机正转、反转，或者是自由刹车，或者是强制刹车，用法简单，功能稳定，可靠性高。

转向舵机采用mg995金属舵机，工作扭矩能达到13kg/cm，最大转动角度为180度。mg995金属舵机较为耐磨，且价格低，重量较轻。

电池采用锂电池，锂电池是由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。相对于其他蓄能电池，锂电池具有能量密度高、使用寿命长、额定电压高的特点。另一方面，锂电池具有高功率承受力，甚至能给电动汽车的启动提供电力。使用锂电池组供电，能进一步提高容量，提高移动载具的续航能力。此外，使用降压开关型集成稳压芯片lm2596，将锂电池组的输出电压稳定在5伏特左右，给控制核心板供电。降压开关型集成稳压芯片lm2596具有保护电路、电流限制、热关断电路等。再用一些外围电路，很容易就能做出一个可靠性高的稳压电路，很适合设想的使用场景。

控制方法分析：

为了寻找并跟踪靠近目标，程序一开始先进行初始化，包括对程序中一些标志位的设定，转向舵机的初始化等等；然后让移动载具原地旋转，即固定转向舵机角度、固定速度，搜寻目标，实际应用时，需要根据场地大小以及摄像头模块处理器芯片的数据吞吐量设置转向舵机角度以及行进的速度；在这个过程中，判断是否捕获目标，否的话，就继续原地旋转搜寻目标；是的话，就接着判断目标处于远端或者近端，在远端可以让移动载具的速度更快，在近端移动载具的速度就要稍慢些；在远端的话，根据摄像头传给控制核心板的数据，判断目标的方位，调整转向舵机，靠近目标；在这个过程中，也要判断是否丢失目标，如果目标丢失，就回到之前原地旋转的那一步，因为此时移动载具仍然远离目标，不用担心与目标发生碰撞，不用倒退；在近端的话，进行第一阶段减速，这一阶段的减速主要是为了让移动载具从远端运行的那个比较快的速度降下来，方便后续对目标的接近，然后进行第二阶段的减速，第二阶段的减速是在非常靠近目标时，直接给电机一个反向的速度，强制把速度减下来，然后进入微距判别；微距判别是使移动载具做前后往复的很短距离的移动，目的是进一步接近目标，直至达到停车的条件，然后停车，然后根据需要，装载指定的外部设备，对目标执行机械动作，然后目标或被清除，这里是让红色led灯熄灭，然后，移动载具倒车，进入下一次的搜寻目标。在近端的这一部分，一直要进行是否丢失目标的判定，如果目标丢失，就要先倒车，然后再进入原地旋转寻找目标的那一步，原因是近端时目标已经比较接近，先倒车是为了避免与目标发生碰撞。以上就是控制程序总体逻辑，移动载具可以实现全自主的连续的单个光电目标的搜寻、跟踪、靠近以及执行机械动作。

由于摄像头模块的stm32f7芯片运算能力有限，需要控制原地旋转速度，以及每秒钟处理的图片的帧数，这次做到的是识别一个直径为10公分，高度约为5公分的半球形红色led灯，带有灯罩，因此要求的图像处理能力并不高，每秒20帧足够。考虑到未来的使用场景，提取图像后，需要进行高斯滤波，主要是为了提高适应能力，无论是夜间灯光的室内，还是有窗户透光的日间的室内，都能有比较好的降噪，提高目标识别的准确度。此外，这种处理，还能抗一定程度的反光。此外，程序中移动载具上搭载的摄像头捕获目标后，对于目标距离的判定，当目标距离摄像头比较远时，可以让摄像头把目标在视野中的高度信息反馈给控制核心板，根据测量过的数据判断目标此时的距离，还有一种选择是判断目标在视野中的面积，这两种办法都可以满足最后微距判定那一段程序对精度的要求。此外，摄像头还需要通过串口传给控制核心板关于目标在视野中的角度信息，以供控制核心板调整转向舵机的角度。

从硬件设计出发，控制硬件的选用，综合考虑质量与价格，设计并绘制电路图，将需要的电路集成在控制核心板上，精简硬件排布，然后在整体控制逻辑上，根据硬件性能特点，针对性地在速度控制、目标识别、图像处理上做相关优化，最大程度地利用硬件系统的性能，最终在预期的精度范围内实现了光电目标的识别、跟踪与接近，而且把成本控制在了一个合理的水平。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。