自动循迹移动载体的设计与制作

蔡昭嵘 上海工程技术大学城市轨道交通学院

1 引言

本文所研究的自动循迹移动载体利用飞思卡尔k60作为主控系统，特点为价格低廉、功能强大，可以进行图像识别和自动循迹，同时具有很小的体积和功耗，在未来可以搭载其他的传感器深入危险区域作排查故障无人机械。也可以在管道检查等需要循迹的领域发挥特殊作用。

2 机器人如何实现自动导引

路径识别我们采用边沿提取的方式。

边沿提取算法的基本思想如下：

(1) 直接对其进行扫描原始图像，根据设定的参数提取黑白跳变点；

(2) 路径宽度要确定一个范围，在确定的路径宽度范围内提取有效路径边侧，这样可以避免不在宽度范围内的干扰；

(3) 利用路径的连续性，根据上一行白块的位置和边沿的位置来确定本行的边沿点；

在提取边侧后我们需要通过之前提取的赛道边沿数据推算中心：当左右边沿点总数较少时往回；若只有单边有边沿点数据，则通过校正对单边数据按法线平移赛道宽度一半的距离；当能找到与一边能匹配上的另一边沿点时则直接求其中心作为中心点。推算完中心点后，对中心点进行均匀化，方便之后的控制。

最后我们通过优化加权算法来优化路径。因为若对整场有效行的中心求加权平均值的算法，在低速情况下可以有效地优化路径，但在载体速度提高到一定程度之后由于过弯时的侧滑，路径不是很好。 当速度过高已达到临界值时，会使传输的图像不清晰，导致所求加全值数据不准确。因此整场图像求加权的算法对于高速情况 下的路径优化效果不是很明显。

为了解决这个问题，我们对于参与加权计算的图像行数及权重进行了处理， 减小了车体前部一定范围内的图像参与加权的行数和权重，同时增大视场前部图像的权重。在经过各种参数加入测试性试验后，终于得到了所需求的准确而有效的参数数据，经过这一套数据的加入，可以使小车在告诉行驶状态下也能传输高效准确的载体路径。

3 电机驱动方案

方案一：直流电机。

直流电机采用H型PWM电路进行操控，通过改变电机电源电压的极性来实现直流电机的正反转。电压极性的变化和运转时间的长短由单片机来控制实现，由于电压调整范围很难达到高精确度，因此很难达到本系统所需要的精确度。

方案二：步进电机。

步进电机拥有惯性小、响应频率高的特点，因此具有别的电机所不具备的瞬间启动与急速停止的优越特性；正常情况下可以不需要对处理中心进行反馈就能对位移或速度进行较为精确的控制。

4 传感器设计方案

4.1 使用接近开关传感器来对路面信息进行采集

接近开关传感器由于能以非接触方式进行检测，所以不会损伤检测物体。再者因为其采用的是无接点输出方式，所以寿命延长采用半导体进行输出，其对接点的寿命没有影响。接近开关传感器与光检测的方式有很大区别，它适合在水和油等环境下使用检测时几乎不受检测对象的影响。其中还包括特氟龙外壳型及耐药品良好的产品。与接触式开关相比，其可实现接触式开关所无法达到的高速响应。能对应不同的温度范围。几乎不受检测物体颜色的影响对检测对象的物理性质变化进行检测。

4.2 使用光电传感器来采集路面信息

使用光电传感器最大的优点就是结构简明、使用方便、成本较低。可以免去繁琐的图像处理工作，但是光电传感器所获取的信息是不完全的，只能够对路面情况作简单的判断，受距离检测较短的影响，而且容易受到诸多的干扰。

5 总结

本文通过对机器人自动循迹系统设计运动行迹以及对驱动器的分析与参考设计做各种实验以确认最适宜自动载体运行的驱动装置，通过对各类传感器的分析与检测，以此来确认最终自动载体开关与感应器的设计形式与设计方向。还通过各类参考文献，以此来确认设计方向与设计思路和对材料选取的各类要求。自动循迹载体属于新型科技设计，这对于人类生活有极大的帮助与促进作用，相信以后对于自动循迹系统的科学研究会有更深层次的进步。