基于预瞄点的自动倒车设计和实现.pdf

第 2 9卷 第 3期 2 0 1 1 年 6 月 轻工杌越 Li g ht I nd u s t r yM a c h i ne r y Vo 1 2 9 No 3 J u n 2 01 1 新设备 新材料 新方法 D O I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 2 8 9 5 2 0 1 1 0 3 0 2 4 基于预瞄点的自动倒车设计和实现 张伟东 浙江工业大学 机械工程学院 浙江 杭州3 1 0 0 1 4 摘要 为研究智能小车在已知环境下的 自动倒车的实现方法 首先建立了基于 C MO S传感器 O V 7 6 7 0和 F P G A的智能 小车自动倒车的硬件系统 其次通过在倒车场地设置预瞄点并结合图像处理技术提出一种对智能小车的定位方法 然后 分析了智能小车的运动学模型以及运动方式 最后提出了一种 2段弧理论的自动倒车路径规划方法 研究结果表明 该 研 究能够成功 实现 自动倒 车 图 9参 1 1 关键词 智能小车 自动倒 车 O V 7 6 7 0传感 器 预 瞄点 路 径规 划 中图分类号 T H 2 2 T P 2 4 2 6 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 5 2 8 9 5 2 0 1 1 0 3 0 0 9 6 0 5 De s i g n a n d I mp l e m e n t a t i o n o f t h e Au t o ma t i c Ba c k Pa r ki ng o n Pr e v i e w Po i n t Z HANG We i d o n g C o l l e g e o f Ma c h a n i c a l E n g i n e e r i n g Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e r e s e a r c h o f t h e i mp l e me n t a t i o n me t h o d o f t h e i n t e l l i g e n t c a r a u t o ma t i c b a c k p a r k i n g i n k n o w n e n v i r o n m e n t t h e p a p e r fi r s tl y e s t a b l i s h e d t h e h a r d w a r e s y s t e m o f t h e i n t e l l i g e n t c a r b a s e d o n t h e 0 V 6 7 0 C MO S s e n s o r a n d F PG A S e c o n d l y c o mb i n i n g t h e p r e v i e w s e t p a r k i n g s p a c e w i t h i ma g e p r o c e s s i n g t e c h n i q u e p r o p o s e d a l o c a t i o n me t h o d of i n t e l l i g e n t c a r T h i r d l y a n a l y z e d t h e k i n e m a t i c m o d e l a nd t h e mo v e m e n t w a y of t h e i n t e l l i g e n t c a r F i n a l l y p u t f o r w a r d a n e w p a t h p l a n n i n g m e t h o d b a s e d o n t w o a r c of a u t o ma t i c b a c k p a r k i n g T h e r e s u h s s h o w t h a t t h i s r e s e a r c h c a n r e a l i z e th e a u t o m a t i c b a c k p a r k i n g s u c c e s s f u l l y C h 9 fi g 1 1 r e f Ke y wo r ds i n t e l l i g e n t c a r a u t o ma t i c p a r k i n g OV7 6 7 0 s e n s o r p r e v i e w p o i n t pa th p l a n ni n g O 引言 近年来 随着现代图像处理技术和高集成低功耗 的嵌入式处理器高速发展 采用机器视觉的控制方法 的小型机器人开始出现 技术上也越来越成熟 另 一 方面 倒车一直是驾驶技术困扰人们 的难题 因此 研制 出一种在无人干预或很少 的人工干预的情况下能 够成功实现 自动倒车的系统 这个难题将迎刃而解 文章提出了一种基于预瞄点结合机器视觉和嵌入式系 统 的 智 能 倒 车 系 统 该 系 统 针 对 智 能 小 车 采 用 O m m i V i s i o n 公司的 C M O S图像传感器 0 V 7 6 7 0 采集路 面信息 通过嵌入式系统对路面图像进行图像处理 路 径规划 实现智能小车的自 动倒车 1 系统结构 智能小车设计的硬件系统结构框图如图 1 所示 主要 由F P G A主控 电路 视频采集电路 电机驱动电路 等组成 1 1 F P G A主控模块 该模块的主控芯片采用 A l t e r a公司 的 C Y C L O N E 系列芯片E P 2 C 8 Q 2 0 8 C 8 作为核心处理器 同时配置 S D R A M以及液晶屏等外围电路 主要有 3 个任务 对摄像头采集的进行图像处理 对处理后的图像进 行存储与显示 控制步进电机与直流舵机完成倒车 1 2 视频采集模块 图像采集核心传感器采用的是一个装在小车尾部 中 轴 上 的 C M O S 摄 像 头 O V 7 6 7 0 0 V 7 6 2 0 是 O m n i V i s i o n 公司生产的 C M O S彩色图像传感器 其内 部集成了感光单元和A D转换器件 采用光学尺寸 1 6 支持图像缩放 支持 V G A C I F和从 C I F到4 0 3 0 收稿日期 2 0 1 0 1 0 1 6 修回日期 2 0 1 0 1 1 02 作者简介 张伟东 1 9 8 4 男 浙江青田人 浙江工业大学机械工程学院硕士研究生 主要研究方向为智能倒车系统 E m a i l wd z h a n g 8 4 1 6 3 c o n 新设备 新 材料 新方法 张伟东基于预瞄点的自动倒车设计和实现 9 7 图 1 系统硬件 结构 图 F i g u r e 1 Ha r d wa r e s t r u c t u r e o f t h e s y s t e m 的各 种 尺 寸 支 持 R a w R G B R G B G R B 4 2 2 R G B 5 6 5 5 5 5 4 4 4 Y U V 4 2 2 和 Y C b C r 4 2 2 输 出格式 最高帧速率为 3 0 f s O V 7 6 7 0图像传感器可 由 F P G A编程实现 S C C B总线接 口 通过 S C C B总线实 现 O V 7 6 7 0图像传感器的内部寄存器配置 可以控制 图像传感器的数据输出 摄像头安装 在小车尾 部 中轴线 的上方 约 3 0 c m 处 与中轴线的夹角为 4 5 如图 2 所示 卵为摄像头 于中轴夹角 摄像头整体视角 Is 为可视区域 通过 在 s区域内设置预瞄点的方法 可以计算得到车体的 具体位姿 图像采集电路是整个系统倒车实现的关键 部分 准确的图像信息是获取预瞄点的唯一途径 是进 行路径规划的必要前提 摄像头 图2 摄像 头安装示意 图 F i g u r e 2 Di a g r a m o f c a me r a i n s t a l l a t i o n 1 3电机驱动模块 实验平台中用于后轮动力驱动的是一个四相步进 电机 额 定 电流为 1 2 A 额定 电压 为 1 2 V 型号 为 E M 2 4 2 步进电机采用 L 2 9 7 L 2 9 8双极性驱动电路 方式来驱动 这种驱动器采用的是速度脉冲加方向电 平 的控制方法 工作时微控制器只需改变驱动器 的脉 冲频率和方向电平即可实现智能小车的姿态控制 大 大简化 了微控制器的工作负担 前轮方向驱动器采用了 S R M 1 0 2型舵机 工作 电源为6 V 响应速度为0 2 s 6 0 采用脉冲宽度控制 转向角的方式 脉冲宽度决定了伺服器的输出角度 图3为舵机输出转角与控制信号脉宽之间的关系 图3 舵机输出转角与控制信号脉宽关 系曲线 Fi g u r e 3 Cu r v e a b o u t s t e e r i 具体关系为 0 9 f 一 2 7 0 0 1 在公式 1 中 0为舵机输出转角 t 为输入的脉冲 宽度 方向控制伺服器接口采用的是三线制 黑色线为 电源地线 红色线为电源线 另一根为白色线为控制信 号线 在系统 中接 人 了 6 V 的电源 在控制 端接 人 3 3 V的脉冲信号 就可以实现在 一 4 5 一 4 5 任意角 度 的转向 2 基于预瞄点路径规划 智能倒车系统中的倒车路径规划任务 是根据小 车的初始位置信息与倒车位置信息 计算出一条从起 始点到 目标点的无碰路径 并控制智 能小车按照这条 路径行走 以达到智能倒车的 目的 2 1 基于预瞄点的车体定位 系统中 路径规划的前提是必须从倒车场地周围 环境中获取预先设置的预瞄点 然后才能根据此预瞄 点计算出智能小车位姿 图4所示为预瞄点的识别方 案流程 图4 预瞄点识别方案 F i gu r e 4 P r o g r a m o f p r e v i e w p o i n t i d e n t i f i c a t i o n 初始图像采集由 C M O S图像传感器 0 V 7 6 7 0完 轻工机械L i g h t I n d u s t r y Ma c h i n e r y 2 0 1 1 年第3 期 成 通过 F P G A配置 0 V 7 6 7 0的内部寄存器 使图像输 出为Y U V格式 3 2 0 2 4 0的灰度图像 对所采集的图 像进行二值化化和腐蚀处理以去除路面杂质干扰 然 后根据图像信息 提取图像中心线与预瞄点信息 并计 算预瞄点中心位置与图像中心位置的距离与方向 从 而确定图像中心点的平面坐标位置坐标位置 如图5 所示 已知预瞄点 口 b 的坐标 就可 以计算 出图像 中 心 Y 点的坐标 又由于摄像头安装位置固定 小 车后轮中心位置与 图像 中心始终在一条直线上 因此 可计算得到车体的坐标位置 Y o 从而也确定了小 车初始偏离 Y轴角度 0 6 人 l y1 D 图5 初始位置计算 Fi g u r e 5 Ca l c u l a t i o n o f t h e i n i t i a l p o s i t i o n 2 2 智能小车运动学模型 通常情况下 智 能小车的运动主要在表面光滑 的 地平面上 其他方 向的的运动可以忽略不计 J 在这 种情况下 为使汽车实现车轮无侧滑的转向 车轮的偏 转必须满足阿克曼特性 驯 即在汽车前轮定位角都等 于零 行走系统为刚性和汽车行驶过程中无侧向力的 前提下 整个转向过程中全部车轮必须围绕同一瞬时 中心相对于地面作圆周滚动 如图6 所示 设轴距为 车前进速度为 则前轮转弯半径 R为 R 2 Sl n 式中 为前轮转向角 那么 可得后轮的转弯半径 r 为 r t a n O 3 根据后轮角速度与线速度的关系有 v d t r d O 4 在保持阶段 汽车沿圆周作匀速运动 其运动学模 型如下 由线速度和后轮角速度的关系可得 图6 小车运动 学模型 Fi g u r e 6 Ki n e ma t i c s mo de l o f c a l v t 坩 5 也即为 0 6 r 0为小车后轮累积转过角度 2 3 智能小车运动控制方式 在智能小车倒车过程中 将小车的倒车运动分为 直线运动和圆弧运动 直线运动是倒车的最基本 最常见也最简单的行 走轨迹 在智能小车直线行走过程中 只需控制后轮 步进电机 的转速 在一定的时间内就能控制智能小车 行程 如 图 7所示 初始 时刻小 车车体 中心在 0点 经过时间 t 后 小车到达 0 点 行驶 路程为 优 其 中 为后轮行驶线速度 图7 小车直线行驶轨迹 F i g u r e 7 L i n e a r d i v e r p a t h 圆弧运动是倒车过程中另一种行走轨迹 根据智 能小车运动学模型 在行走过程中改变前轮转向角 小 车将按照不同的曲率半径做圆弧运动 如图8所示 初始时刻小车车体中心在 0点 若小车作匀速运动 经过时间 t 后 小车到达 0 点 行驶 路程 为 r 其 中 r 新 设备 新材料 新方法 张伟东基于预瞄点的自动倒车 设计和实现 9 9 为小车后轮转弯半径 为车体转向角 可由式 6 计 算得到 图 8 小车 圆弧行 驶轨迹 Fi g u r e 8 Ar c d i v e r p a t h 2 4 倒车路径规划 智能小车行驶在一个二维平面上 通过图像采 集 图像处理获取预瞄点信息 计算得到小车车体的初 始位姿 令小车 的位姿 为 Y 其中 Y o 为 小车位置坐标 为小车车体后轮 Y轴正方向角度 同时预先设置倒车车位位置为二维平面坐标远点 0 0 小车从初始点 到倒车位置必须经过 的横 向行 驶 y 0 的纵向行驶 同时后轮要转过 角度 系统中的路径规划思想是 将小车的倒车过程分 为圆弧行走过程与直线行走过程 首先利用圆弧行走 方式将小车行驶至 Y轴上 同时保证后轮与 Y 夹角 为 0 然后利用直线行驶将小车倒至倒车位置 在路径规划时 采用 2段 圆弧倒 车路径设计倒车 轨迹 即采用 2段圆弧倒车至 Y轴上 使车体方 向 角 为 0 如图 9所示 设停 车位置 为坐标原点 O P为 倒车初始位置 倒车过程 如下 小车从 P点 出发 前 轮向右转走弧线 圆弧 1 到 点 然后在 点前 轮左转走MQ 圆弧 2 到达 Q点 前轮打正 走直线 到停车位置 0点 倒车成功 在整个倒车过程中 如 何确定行车轨迹 和 MQ是整个倒车成功与否 的关 键 也是难点 令 P点的初始坐标为 Y 且与 Y 轴夹角为 因为圆弧 1圆心 0 在后轮轴 的延长线 P O 上 得 到 P O 与Y 轴的夹角为 IT 令 P O 为 r 可计算得圆弧 1 对应 的圆心为 r 1 c o s 0 Y 0一r l s i n 0 或者 0一 r c o s 0 Y r s in 0 半径为 r 1 令 Q为y 轴上一个动点 0 要使圆弧 2与Y轴相切与 Q点 令圆心为 O 那么Q O 的直线方程为y a 令半径为 r 2 对应的圆心 1 1 I 一 旦 一 一 T n 图 9 小车 2段 弧 倒 车轨迹 示例 Fi g u r e 9 Ex a mp l e o f p a r k i n g 为 r 2 a 或者 一 r 口 半径为 r 要使 2圆相切 只 需 2圆圆心距离为 r 2 I 时外切 或者 l r 一r 2 l 时 内 切 得到满足所有关系的方程 0 r l c o s 0一r 2 2 Y o r 1 s i n 0 一口 r 1 r 2 2 7 0 r I c o s 0 r 2 2 Y 0 一 r l s i n 0 一口 r 1 r 2 2 8 0 一 r I c o s 0一r 2 Y o r l s i n 0 一a r 1 r 2 9 0 一 r l c o s 0 r 2 2 Y o r l s i n 0 一口 r 1 r 2 2 1 0 0 r l c o s 0一r 2 Y o r 1 s i n 0 一口 r 2 1 1 0 r 1 c o s 0 r 2 Y 0 一r I s i n 0 一 r 1 一 r 2 2 1 2 0 一 r 1 c o s 0一r 2 Y 0 r 1 s i n 0 一 2 r l r 2 1 3 0 一 r 1 c o s 0 r 2 Y 0 r I s i n 0 0 r 1 一 r 2 1 4 式中 Y 0 为车体初始位姿 小车进行圆弧方式行驶路径规划 时 必须满足 2 个约束条件 其一 车体始终不能超出倒车场地 其二 转向角中始终保持在 一 4 5 4 5 之间 否则认为倒 车失败 根据约束条件一 圆弧2与 Y 轴的切点 a必须在 倒车场地内 可以确定一个关系式 根据约束条件二 小车行驶时的转弯半径与转向 1 0 0 轻 工杌械L i g h t I n d u s t r y Ma c h i n e r y 2 0 1 1 年第3期 角之间的关系式 4 得到小车后 轮转 向半径 的理论范 围 即r 一 一 n 其中 为小车前轮 至后轮的车体长度 当小车的转弯半径满足上述方程中的任何一个 理论上都能实现 自动倒车 实际上 要考虑场地大小 的限制和小车转弯半径的约束 限篇幅所限 在此不做 讨论 3 试验与结论 在智能小车自动倒车的实验中 设置直流舵机刷 新频率为 1 0 m s 根据直流舵机控制曲线 将转向角划 分为5 0个点 即分辨率为 1 8 对应的可用转弯半径 也有5 0 个 因此 就有 5 0 5 0种的r 和 r 的组合 对应就有 5 0 5 0 1 2种倒车方案 在进行具体倒车 试验时 取满足方程 7 一 1 4 中的任意一个并满足 约束条件 的 r r 2 和 a 都能成功实现 自动倒车 智能小车自 动倒车系统结合了 C M O S 图像传感器 和 F P G A器件 是视觉技术与嵌人式系统相结合的典 型系统 同时 根据智能小车的运动学模型 提出了一 种基于预瞄点的自动倒车的路径规划算法 并将这种 算法用于所设计的智能倒车系统上 成功的实现了小 车的智能倒车 参考文献 R e f e r e n c e s 1 D A XWA NG E R W A S C H MI D T G Ne u r a l a n d f u z z y a p p r o a c h e s t o v i s i o n b a s e d p a r k i n g c o n t ro l J C o n t r o l E n g i n e e ri n g P r a c t i c e 1 9 9 6 4 1 1 1 6 0 7 1 6 1 4 2 O H K I T A M Y O K O U C H I Y O H K I M e t a1 C o n t r o l o f t h e a u t o n o m o u s mo b i l e rob o t d r e a m一 1 fur a p a r a l l e l p ark i n g J Ma t h e ma t i c s a n d C o mp u t e rs i n S i mu l a t i o n 1 9 9 6 4 1 1 2 9 1 3 8 3 尹克 高明 煜 陈吉锋 车载可视倒车装置的设计与实现 J 杭州 电子科技大学学报 2 0 0 7 2 7 4 1 4 4 唐晓燕 基于S O P C的图像采集和处理系统的设计与实现 D 北 京 华北电力大学 2 0 0 7 5 S I E G wA R T R N O U B A K HS H I R I n t rod u e fi 0 n t 0 a u t o n o m o u s m o b i l e rob o t s M MA U S A M I T P r e s s 2 0 0 4 2 0 2 2 0 5 6 孟刚 车辆的转向特性与阿卡曼转向原理的分析 J 机械研究与 应用 2 0 0 7 2 0 4 3 6 3 8 7 宋小康 谈大龙 吴镇炜 等 全地形轮式移动机器人运动学建模 与分析 J 机械工程学报 2 0 0 8 4 4 6 1 4 8 1 5 4 8 汪秉权 章正伟 基于虚拟仿真的四足机器人行走研究 J 轻工 机械 2 0 0 9 2 7 3 5 7 9 苏绍兴 程向娇 基于 3 C 2 4 1 0的移动机器人运动控制系统 J 机电工程 2 0 1 0 2 7 6 5 5 5 7 1 0 董刚 智能小车运动系统研制 D 西安 西安科技大学 2 0 0 9 1 1 张海波 原魁 周庆瑞 基于路径识别 的移动机器人视觉导航 J 中国图像图 形学报 2 0 0 4 9 7 8 5 3 8 5 7 上接第 9 2页 4 杨建东 田春林 王 长 兴 纳 米级高 速研 磨技 术 J 中 国科 学 2 0 0 7 9 3 7 1 2 1 4 1 2 2 3 5 吕 迅 金杨福 厉淦 基于田口试验法的双自转研磨盘磨球工艺的 优化 J 轻工机械 2 0 0 8 2 6 3 8 2 8 5 6 S H I M A D A K WU Y M A T S U O Y e t a 1 F l o a t p o l i s h i n g t e c h n i q u e u s i n g n e w t o o l c o n s i s t i n g o f m i c ro m a g n e t i c c l u s t e r s J J o u r n a l o f Ma t e r i al s Pro c e s s i n g T e c h n o l o g y 2 0 0 5 1 6 2 1 6 3 6 9 0 9 5 7 S H I M A D A K O K A H M a g n e t i c c h a r a c t e ri s t i c s o f m a gne t i c c o m p o u n d fl u i d M C F u n d e r D C a n d A C m a gne t i c fi e l d s J J o u r n al o f Ma gne t i s m a n d Ma gne t i c M a t e r i als 2 0 0 5 2 9 0 2 9 1 8 0 4 8 0 7 8 S H I MA D A K S H U C H I S K A N NO H Ma gne t i c c l u s t e r and i t s a p p l i c a t i o n J J o u rn a l o f M a gne t i s m and M a gne t i c M a t e ri al s 2 0 0 5 2 8 9 9 1 2 9 V O T B U L E Y T G A G L I A R D I J I m p ro v e d p l a n a r i z a t i o n f o r S T I 1 O 1 2 1 3 w i t h fi x e d a b r a s i v e t ech n o l o gy J S o l i d S t a t e T e c h n o l o g y 2 0 0 0 6 2 3 2 8 L I U F u q i n g P ENG W e i YAO Ch u n y a n R e s e a r c h o n t h e p r o pe r ti e s o f u l t ra v i o l e t c u ri n g r e s i n l a p p i n g p l a t e J I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f C o m