基于線陣CCD的水中機器人輸油管檢測比賽策略

基于線陣CCD的水中機器人輸油管檢測比賽策略國際水中機器人大賽是一項國際權(quán)威的機器人大賽，它以智能仿生機器魚為主題，在水中進行各類競賽，包括競速、追逐、花樣游泳和激烈對抗的水球比賽。目前水中機器人比賽主要分為全視覺組、自主視覺組、2D仿真組和自由創(chuàng)意組4大類［1］。水中機器人競賽既有很強的技術(shù)挑戰(zhàn)性，又有很高的觀賞性，是科研和科普的完美結(jié)合，是培育創(chuàng)新人才、普及和推廣機器人技術(shù)、孕育機器人產(chǎn)業(yè)的重要平臺。機器人研發(fā)的一個重要因素是能代替人自主完成一系列任務(wù)，因此人的輔助干預(yù)在機器人完成整個任務(wù)過程中所占重要性越小越好，且以機器人能夠完全脫離外界輔助而完成任務(wù)做為最高目標。筆者主要對基礎(chǔ)組輸油管檢測技術(shù)挑戰(zhàn)賽進行研究，舍棄了原先利用機械方法在仿生機器魚身布置多個光電傳感器檢測管道的方案，改為利用電荷耦合器件（CCD）的圖像快速采集，相比之下，機器魚外觀更加美觀，且抗干擾能力強，大幅度的提升了機器魚的速度和執(zhí)行效率。本文設(shè)計的水中機器人創(chuàng)新平臺基礎(chǔ)版，提出利用AVR單片機實現(xiàn)CCD驅(qū)動及CCD輸出信號處理的方法，硬裝。實驗證明，該方案有效可行，在2015年度華北五省機器人大賽“基礎(chǔ)組輸油管檢測技術(shù)挑戰(zhàn)賽”中，獲得第一的好成績。基礎(chǔ)組輸油管檢測技術(shù)挑戰(zhàn)賽要求參賽隊各派一條機器魚參加比賽，這個機器魚由水中機器人創(chuàng)新平臺基礎(chǔ)版搭建的單關(guān)節(jié)擺動機構(gòu)推管線場地如圖1所示。用直徑3cm圓形實心黑色標記表示漏油處，共設(shè)置8個漏油處，隨機分布在輸油管各處。場地圖標識起點和終點所處的虛線方框內(nèi)部分別為起點區(qū)和終點區(qū)，起點區(qū)和終點區(qū)用黑色膠帶標記圖1輸油管檢測技術(shù)挑戰(zhàn)賽場地圖比賽開始前，機器魚置于起點分隔線框內(nèi)，不得超過分隔線。裁判吹哨示意比賽開始，比賽計時開始，由裁判遠程連接并啟動機器魚，啟動后不允許再進行任何操作。機器魚沿著輸油管線按照白色箭頭指示方向游動，不得偏離管線，從正上方觀察若機器魚在水平面上的投影與管線在水平面上的投影沒有重疊則比賽停止，計時結(jié)束。游動的同時檢測管線上標記的漏油處，檢測到漏油處時通過一定方式告知現(xiàn)場裁判及觀眾，可以是聲音、光、回傳PC機數(shù)據(jù)等，機器魚全身進入終點區(qū)比賽結(jié)漏油處檢測分：正確檢測到一個漏油處加10分，正確檢測要求從正上方觀測機器魚與漏油處有重合，并且同時以明確的方式報告檢測到漏油處。機器魚在未遇到漏油處時有報告則為誤報，扣10分，滿分80完成比賽分：不偏離管線（判斷標準以比賽過程描述為準）到達終點處完成比賽，加20分。計時分：在150s內(nèi)完成比賽，比賽用時為T，獲得（150-T）/4技術(shù)分：根據(jù)比賽采用的技術(shù)形式及比賽完成情況給技術(shù)分。評定標準：檢測過程中機器魚結(jié)構(gòu)未接觸到管道的隊伍獲得基礎(chǔ)技術(shù)分10分，比賽過程中有接觸到管道的隊伍沒有基礎(chǔ)技術(shù)分，根據(jù)漏油處報告方式、創(chuàng)新思路、技術(shù)難度、實用性四個方面由評委每個方面給2檢測原理及系統(tǒng)構(gòu)成2.1檢測原理筆者利用的線陣CCD模塊，由128個光電二極管的線陣陣列組成。光源發(fā)出的光經(jīng)過水池、輸水管道的反射照射到CCD上，光的能量在光電二極管上產(chǎn)生光電流，相關(guān)像素點上的有源積分電路對這些光電流進行積分，形成所對應(yīng)的電勢。經(jīng)信號處理后可由藍牙無線傳送到電腦終端，實時顯示被測區(qū)域的感光電勢圖。這樣就能區(qū)分水池的藍色、水管的白色和漏點的黑色，確保機器魚在豎直方向上沿管道運行，檢測并報2.1系統(tǒng)構(gòu)成利用AVR單片機產(chǎn)生線陣CCD的驅(qū)動脈沖驅(qū)動CCD工作，輸出信號經(jīng)單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換、放大和濾波后，再通過二值化的處理，輸出信號通過藍牙設(shè)備傳輸?shù)诫娔X終端，通過圖像的偏移程度自動校正尾部舵機的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)檢測到漏點時，單片機驅(qū)動Led燈閃。硬件結(jié)構(gòu)框圖如3硬件電路筆者利用TSL1401R-LF線陣CCD模塊，它的核心是一片具有128個像素的線陣CCD，可以直接與任意系列MCU相連接進行數(shù)據(jù)采集處理。該線陣CCD模塊具有以下特點：高靈敏度、體積小、重量輕、功耗低、接口簡單、易于固定［3］。線陣CCD的安裝如3.2微處理器水中機器人創(chuàng)新平臺選用的是ATMEGA128單片機。ATMEGA128使用RISC指令集，指令周期絕大部分為單周期指令，具有相當(dāng)高的執(zhí)行速度，8MHz頻率下工作的ATMEL128