一種自動判分的智能小車競賽平臺

潘欣裕，畢自強，王 儉，董興法，付保川

(蘇州科技大學 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州 215009)

在人工智能、機器人技術等課程越來越受到學校重視[1－3]，并被引入課程設置和教學計劃的今天，與上述課程相配合的實驗裝置成為學校和任課教師迫切需要的輔助教學工具[4－8]。缺乏實用的機器人比賽場地以及相應配套的監(jiān)控評判軟件成了亟需解決的問題。

各類大專院校通過相關課程和學科競賽的規(guī)劃，構建了很多實驗中心，也形成了不同的教學理念[9－11]。但目前這方面已有的場地多為大中專學生參加的各種各樣機器人競賽的設施，如Robo-Cup比賽、全國智能機器人大賽、江蘇省大學生機器人大賽等比賽的場地。它們有的占地過大，有的制作過難，有的日常維修量較大，有的不易搬運，有的運行過于繁瑣，有的比賽評判標準不夠科學。這些現(xiàn)狀都凸顯了適合學校教學的配套智能小車比賽場地處于一個有待發(fā)展的階段。

如果能將攝像頭采集圖像的技術和數(shù)字圖像處理技術、紅外收發(fā)對管及其信號處理技術等運用在智能小車比賽方面，構成全監(jiān)控自動判分的比賽場地，將對人工智能和機器人技術等課程的教學起到很好的支持輔助作用，無疑是一個很有意義的應用方向。

本文介紹的一種自制的全監(jiān)控自動判分的智能小車競賽平臺，可以通過累計路程和計時，對智能小車比賽進行成績判定，并借助簡明直觀的人機界面予以顯示。

1 裝置組成與原理

全監(jiān)控自動判分的智能小車競賽平臺，由比賽場地、監(jiān)控系統(tǒng)和判分系統(tǒng)3個主要部分組成?？梢酝ㄟ^監(jiān)控系統(tǒng)，對智能小車的行駛進行計時，對智能小車行駛軌跡進行記錄，對智能小車所走的路程進行累計，并通過判分系統(tǒng)對智能小車比賽過程進行判分，通過簡明直觀的人機界面，對各項結果予以顯示。

1.1 比賽場地本體

比賽場地的立體示意圖如圖1所示。比賽場地的本體由底板、擋板和隔板組成，采用膠合板制作。底板上設置若干隔板，形成類似迷宮的效果。擋板圍在底板四周，以防止智能小車越出場地。底板上放置若干減速條，給比賽增加一定的難度。攝像頭由空心塑料管支架固定于場地正上方。

圖1 比賽場地的立體示意圖

比賽場地平面布局如圖2所示。場地的入口處和出口處的擋板和隔板上各安裝有一對紅外收發(fā)對管，對從其間經過的智能小車具有感知作用。

圖2 比賽場地的平面布局圖

1.2 電子系統(tǒng)

電子系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)和判分系統(tǒng)兩部分構成。監(jiān)控系統(tǒng)包括影像模塊、位置檢測模塊和人機界面模塊3部分；判分系統(tǒng)包括計程模塊、計時模塊和判分模塊3部分。各個模塊的工作由計算機統(tǒng)一協(xié)調管理，如圖3所示。各個模塊的組成及功能如下:

1)影像模塊，由攝像頭和相應軟件組成，將圖像信息進一步處理以得到智能小車的位置和路線；

2)位置檢測模塊，由紅外收發(fā)對管和附屬電子電路組成，如圖4所示，可感知智能小車是否起跑和撞線，并負責給計時模塊發(fā)送開始和停止計時的信號；

3)計程模塊，根據(jù)影像模塊的結果進一步處理得到智能小車總的行駛路程；

4)計時模塊，根據(jù)位置檢測模塊提供的信號，啟動和停止計時；

5)判分模塊，結合計程模塊提供的路程數(shù)據(jù)和計時模塊提供的時間數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)則和算法綜合得到智能小車的比賽得分。

圖3 電子系統(tǒng)各功能模塊關系框圖

圖4 用于感知小車位置的紅外收發(fā)對管

1.3 小車控制方式簡介

可通過兩種方式對小車進行控制，一是在PC端通過按鍵實現(xiàn)對小車的前進、后退、左轉及右轉進行控制；另一種方式是通過非特定人語音識別技術，通過語音信號進行指令識別后，操控小車的行為。不論采用哪種方式，PC在接收指令后，向USB端口發(fā)送控制字指令，隨后可利用RF2401、藍牙、zigbee等無線模塊(本系統(tǒng)可以與不同的通信模塊實現(xiàn)無縫對接，無需調整軟硬件系統(tǒng))發(fā)送通信指令，實現(xiàn)小車的運動控制。

1.4 人機交互界面

競賽平臺的控制與人機交互界面如圖5和圖6所示。圖5的控制面板中包含了PC與小車通信的接口選項，前、后、左、右運動控制選項，還有語音識別控制選項與結果顯示標志。本識別系統(tǒng)可以識別并實現(xiàn)非特定人的前進、后退、左轉與右轉四種控制命令。圖6的人機交互界面指示了小車的歷史行進軌跡 (圖中弧線)，行進的距離 (圖中左上角的Distance＝212 cm)，以及小車的行駛時間 (圖中右上角的25”11)。

圖5 PC端通信與控制界面

圖6 行車軌跡及參數(shù)指示人機交互界面

2 影像信號處理及判分算法

本文的競賽平臺安裝了CCD視頻傳感器和紅外光傳感器。前者就是攝像頭，主要完成對小車的實時捕捉，利用軟件進一步處理后，可得到小車的位置坐標、行駛軌跡和累計路程等數(shù)據(jù)信息。后者就是紅外收發(fā)對管，主要完成對小車穿過對管事件的感知，計時模塊硬件電路由其可得到小車比賽耗時的數(shù)據(jù)，軟件結合加工后的路程數(shù)據(jù)給出比賽得分。

2.1 鏡頭畸變校正

考慮到成本和經費的因素，本文所制作的競賽平臺購置的攝像頭質量不高，存在很明顯的鏡頭畸變的問題，即所拍攝到的圖像邊緣部分會發(fā)生變形。從圖6中也可以看出，所拍攝到的方形競賽場地影像發(fā)生了桶形畸變。本文采用文獻 [12]的方法，利用平面網格模型事先求取鏡頭的畸變系數(shù)，在實際使用中對像素點進行參數(shù)校正，可在不影響處理速度的前提下，滿足本系統(tǒng)的測量精度要求。

2.2 CCD傳感器視頻影像的處理

對攝像頭進行視頻采集后，對每一幀圖像分步進行了處理，如圖7所示。

圖7 影像模塊的算法描述框圖

1)將彩色圖像轉化為灰度圖像，然后對其進行邊緣檢測。

2)對圖像進行二值化處理 (灰度值小于127設為0，大于127設為255)。

3)對二值化后的圖像進行形態(tài)學膨脹，形態(tài)學圖形為15×15的矩形。由于小車上的邊緣信息比較密集，膨脹后分散的色塊聚集起來形成了一個大的連通域。

4)進行兩次形態(tài)學腐蝕，形態(tài)學圖形分別為40×40和10×10的矩形。由于上一步形成的連通域比較大所以沒有被完全腐蝕掉，而小車以外的其他物體會被腐蝕掉。

5)再一次用15×15的矩形進行形態(tài)學膨脹，將小車的色塊放大。

6)對色塊做尋找重心的操作，標記小車的位置，然后進行濾波處理使小車的位置穩(wěn)定下來，顯示在圖片上，并在圖片上畫出小車的行進軌跡，計算小車行進的距離。

2.3 判分規(guī)則

判分原則包括快速、安全、節(jié)能、環(huán)保等要求，由該原則決定的判分標準主要考慮所用時間和所經路程，兼顧停頓(啟動)次數(shù)、轉向次數(shù)和碰撞次數(shù)等指標。完成比賽的小車得到的初始扣除分值為:

式中，T是時間，L是路程，S是啟動/停止次數(shù)，D是轉向次數(shù)，B是碰撞次數(shù)，α、β、γ、ρ、ε則是相應的權重系數(shù)。

其中，時間T和路程L可以通過系統(tǒng)自動獲得，如圖6所示，左上角顯示小車運動路程212 cm，運動時間25.11 s。啟停次數(shù)、轉向次數(shù)和碰撞次數(shù)的記錄尚需要人工記錄輔助，但一般情況下出現(xiàn)碰撞或啟停等次數(shù)過多必然導致運行時間加長，同時路程也相應增加，所以時間和路程信息已經在一定程度上包含了這3種計數(shù)信息。

根據(jù)實際所選小車的試車情況，選擇各變量和系數(shù)的最大值，得到理論最高扣除分值Mmax，然后按照式 (2)給出百分制的比賽最后得分:

一般情況下設定α＋β＋γ＋ρ＋ε＝1。例如設α＝0.4，β＝0.3，γ＝0.1，ρ＝0.1，ε＝0.1，其中某次測試得分為:運行時間T＝25.11s，距離L＝212 cm，中途啟停次數(shù)S＝0次，轉向次數(shù)D＝12次，碰撞次數(shù)B＝0次。代入式(1)可得M＝11.88。

另外預設各參數(shù)的最大值為:運行時長200 s，距離10 m，啟停次數(shù)5次。轉向次數(shù)30次，碰撞次數(shù)5次，則理論最高扣除分值Mmax＝87分。

根據(jù)式(2)，得到本次測試:

用戶可以根據(jù)不同的要求自行設置相應參數(shù)，以便得到合理的分數(shù)。

3 平臺可承擔的比賽項目及實例

本文所設計的競賽平臺沒有對參加比賽的智能小車加以過多限制，除車身外形尺寸之外，使用者可以有較廣泛的小車選型的自主權。事實上，本文在教學中實際采用的車型和控制方式也是多種多樣的，主要包括以下3種。

1)傳感器小車。

使用傳感器進行自主循跡的智能小車，比如在車上裝載超聲波和光學模塊，用于避障和測量。這樣的小車可以自主地完成預先設定的功能，通過傳感器識別擋板并繞過障礙物最終到達目的地。

(2)聲控小車。

用語音識別系統(tǒng)控制的小車。在實際使用中可采用科大訊飛、蘋果等公司的識別系統(tǒng)，用語音識別的結果來控制小車運動。如圖8所示的語音控制的小車，麥克風接收到語音信號并進行識別，指令信號通過無線通信系統(tǒng)NRF2401傳輸給小車，控制小車的行進。

圖8 語音控制智能小車

3)遙控平衡車。

遙控的兩輪自平衡小車。制作了遙控的兩輪自平衡小車，通過藍牙連接PC機，用鍵盤控制行進，如圖9所示。

圖9 兩輪自平衡小車

4 結束語

綜上所述，本文介紹的自制全監(jiān)控自動判分的智能小車競賽平臺，結構簡單，功能設置合理，成績判定科學，人機界面簡明直觀，具有空間小、易搬運、制作簡單、維護方便、易于操作、工作可靠等優(yōu)點。另外，該平臺還具有一定的成績判定原則和規(guī)則的開放性，使用者可根據(jù)使用情況制定并實現(xiàn)符合自身要求的成績判定方法。除此之外，使用者還有較廣泛的機器人選型的自由權，可根據(jù)自身情況選用參加比賽的智能小車。本平臺制作簡便，安裝和維護方便，成本也比較低，易于推廣。

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