基于线阵CCD的水中机器人输油管检测比赛策略

基于线阵CCD的水中机器人输油管检测比赛策略国际水中机器人大赛是一项国际权威的机器人大赛，它以智能仿生机器鱼为主题，在水中进行各类竞赛，包括竞速、追逐、花样游泳和激烈对抗的水球比赛。目前水中机器人比赛主要分为全视觉组、自主视觉组、2D仿真组和自由创意组4大类［1］。水中机器人竞赛既有很强的技术挑战性，又有很高的观赏性，是科研和科普的完美结合，是培育创新人才、普及和推广机器人技术、孕育机器人产业的重要平台。机器人研发的一个重要因素是能代替人自主完成一系列任务，因此人的辅助干预在机器人完成整个任务过程中所占重要性越小越好，且以机器人能够完全脱离外界辅助而完成任务做为最高目标。笔者主要对基础组输油管检测技术挑战赛进行研究，舍弃了原先利用机械方法在仿生机器鱼身布置多个光电传感器检测管道的方案，改为利用电荷耦合器件（CCD）的图像快速采集，相比之下，机器鱼外观更加美观，且抗干扰能力强，大幅度的提升了机器鱼的速度和执行效率。本文设计的水中机器人创新平台基础版，提出利用AVR单片机实现CCD驱动及CCD输出信号处理的方法，硬装。实验证明，该方案有效可行，在2015年度华北五省机器人大赛“基础组输油管检测技术挑战赛”中，获得第一的好成绩。基础组输油管检测技术挑战赛要求参赛队各派一条机器鱼参加比赛，这个机器鱼由水中机器人创新平台基础版搭建的单关节摆动机构推管线场地如图1所示。用直径3cm圆形实心黑色标记表示漏油处，共设置8个漏油处，随机分布在输油管各处。场地图标识起点和终点所处的虚线方框内部分别为起点区和终点区，起点区和终点区用黑色胶带标记图1输油管检测技术挑战赛场地图比赛开始前，机器鱼置于起点分隔线框内，不得超过分隔线。裁判吹哨示意比赛开始，比赛计时开始，由裁判远程连接并启动机器鱼，启动后不允许再进行任何操作。机器鱼沿着输油管线按照白色箭头指示方向游动，不得偏离管线，从正上方观察若机器鱼在水平面上的投影与管线在水平面上的投影没有重叠则比赛停止，计时结束。游动的同时检测管线上标记的漏油处，检测到漏油处时通过一定方式告知现场裁判及观众，可以是声音、光、回传PC机数据等，机器鱼全身进入终点区比赛结漏油处检测分：正确检测到一个漏油处加10分，正确检测要求从正上方观测机器鱼与漏油处有重合，并且同时以明确的方式报告检测到漏油处。机器鱼在未遇到漏油处时有报告则为误报，扣10分，满分80完成比赛分：不偏离管线（判断标准以比赛过程描述为准）到达终点处完成比赛，加20分。计时分：在150s内完成比赛，比赛用时为T，获得（150-T）/4技术分：根据比赛采用的技术形式及比赛完成情况给技术分。评定标准：检测过程中机器鱼结构未接触到管道的队伍获得基础技术分10分，比赛过程中有接触到管道的队伍没有基础技术分，根据漏油处报告方式、创新思路、技术难度、实用性四个方面由评委每个方面给2检测原理及系统构成2.1检测原理笔者利用的线阵CCD模块，由128个光电二极管的线阵阵列组成。光源发出的光经过水池、输水管道的反射照射到CCD上，光的能量在光电二极管上产生光电流，相关像素点上的有源积分电路对这些光电流进行积分，形成所对应的电势。经信号处理后可由蓝牙无线传送到电脑终端，实时显示被测区域的感光电势图。这样就能区分水池的蓝色、水管的白色和漏点的黑色，确保机器鱼在竖直方向上沿管道运行，检测并报2.1系统构成利用AVR单片机产生线阵CCD的驱动脉冲驱动CCD工作，输出信号经单片机内部的A/D转换、放大和滤波后，再通过二值化的处理，输出信号通过蓝牙设备传输到电脑终端，通过图像的偏移程度自动校正尾部舵机的旋转。当检测到漏点时，单片机驱动Led灯闪。硬件结构框图如3硬件电路笔者利用TSL1401R-LF线阵CCD模块，它的核心是一片具有128个像素的线阵CCD，可以直接与任意系列MCU相连接进行数据采集处理。该线阵CCD模块具有以下特点：高灵敏度、体积小、重量轻、功耗低、接口简单、易于固定［3］。线阵CCD的安装如3.2微处理器水中机器人创新平台选用的是ATMEGA128单片机。ATMEGA128使用RISC指令集，指令周期绝大部分为单周期指令，具有相当高的执行速度，8MHz频率下工作的ATMEL128