基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统及控制方法技术方案

技术编号:15690196 阅读:278 留言:0更新日期:2017-06-24 02:23
本发明专利技术公开了一种基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统及控制方法,包括:六轴MMEMS惯性传感器、红外发射管、红外接收管、摄像头、编码盘、主控制器、全桥驱动电路、微型电机、无线数据传输模块、人机界面模块;所述六轴MMEMS惯性传感器、红外发射管、红外接收管、摄像头、编码盘、无线数据传输模块、人机界面模块与主控制器连接;主控制器连接全桥驱动电路,全桥驱动电路连接微型电机,微型电机连接编码盘。本发明专利技术采用先进的Zynq FPGA作为系统控制核心,可以提高电脑鼠的性能;基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制方法包括对未知迷宫的搜索算法、根据已获取的迷宫信息求解最优路径的算法。

Computer mouse intelligent vehicle control system and control method based on Zynq platform

The invention discloses a computer system including rats and the control method of intelligent vehicle control based on the Zynq platform: six axis MMEMS inertial sensor, infrared transmitting tube and infrared receiving tube, camera, encoding disc, main controller, full bridge circuit, micro motor, wireless data transmission module and man-machine interface module; the six axis MMEMS inertial sensor, infrared transmitting tube and infrared receiving tube, camera, encoding disk, wireless data transmission module, man-machine interface module is connected with the main controller; the main controller is connected with the full bridge circuit, full bridge circuit is connected with a miniature motor, micro motor connected encoding disc. The invention adopts the advanced Zynq FPGA system control as the core, can improve the performance of computer in computer mouse; intelligent vehicle control method of Zynq platform including the search algorithm, according to the information of the unknown maze maze to solve the optimal path algorithm based on the acquired.

【技术实现步骤摘要】
基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统及控制方法
本专利技术属于智能机器人
,尤其涉及一种基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统及控制方法。
技术介绍
信息论之父香农不仅率先把人工智能运用于电脑下棋方面,而且专利技术了一个能自动穿越迷宫的电子老鼠,即“电脑鼠”,以此证明计算机可以智能学习。电脑鼠是由嵌入式微处理器、传感器和电机组成的一种具有人工智能的小型轮式机器人。“电脑鼠”可看作是一个集多项工程学科知识于一体的小型智能车控制系统,设计时需考虑电子、电气、机械、算法以及计算机等各方面的问题,重量、速度、功耗、传感技术、重心以及算法等各方面都是设计中需要综合考虑的因素。根据国际电工和电子工程学会(IEEE)制定的电脑鼠迷宫竞赛规则,电脑鼠需要在由16×16个18.5cm×18.5cm大小的单元格组成的未知迷宫中自行行走、搜索迷宫内部信息并寻找迷宫起点到终点的路径,以最快的速度从起点到达迷宫的终点。在竞赛中电脑鼠需要完成迷宫路径的求解,具体包括未知迷宫的搜索和最短路径的求解两个任务。目前电脑鼠竞赛中,普遍采用红外测距方案探测墙壁,易受外界环境的干扰;普遍采取的Flood-Fill迷宫搜索算法是将迷宫搜索与最优路径求解同时进行,每进入一个方格就需要重新执行一次Flood-Fill算法,每一次都需要对256个迷宫方格距离值重新计算并更新。显而易见,尤其在迷宫探测初期、信息不全的情形下,会进行大量无意义的计算操作和数据搬移,浪费系统资源。综上所述,现有技术存在以下问题:目前电脑鼠智能车迷宫搜索时易受外界环境干扰、存在硬件系统资源消耗较多、最短路径求解耗时长和容易陷入局部最优解等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统及控制方法,旨在解决目前电脑鼠智能车迷宫搜索时易受外界环境干扰、存在硬件系统资源消耗较多、最短路径求解耗时长和容易陷入局部最优解等问题。本专利技术是这样实现的,一种基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统,所述基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统包括:摄像头,用于采集迷宫图像;基于ZynqFPGA平台的主控制器用于对采集的迷宫图像进行图像处理以识别出迷宫中所有的墙壁位置,并由改进的Flood-Fill算法求解最优路径,根据求解出的最优路径控制微型电机以最快速度行走迷宫并冲刺;编码盘,通过采集微型电机轴端旋转角度并反馈给主控制器以精确控制微型电机的转速和方向;红外发射管和红外接收管,用于定位校正以防止电脑鼠智能车走偏,同时用作墙壁检测以防止碰到墙壁;六轴MMEMS惯性传感器,用于反馈精确的运动姿态信息给主控制器,以控制电脑鼠智能车保持直立;人机界面模块和无线数据传输模块,用于电脑鼠智能车调试,无线数据传输模块可通过Wi-Fi和蓝牙两种方式与主机或移动终端无线连接,电脑鼠智能车的工作状态、各种传感器的信息可实时无线传输到主机或移动终端,主机或移动终端也可以实时控制电脑鼠智能车。所述六轴MMEMS惯性传感器、红外发射管、红外接收管、摄像头、编码盘、无线数据传输模块、人机界面模块与主控制器连接;主控制器连接全桥驱动电路,全桥驱动电路连接微型电机,微型电机连接编码盘。本专利技术的另一目的在于提供一种所述基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统的基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制方法,所述基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制方法包括对未知迷宫的搜索算法、根据已获取的迷宫信息求解最优路径的算法;所述未知迷宫的搜索算法:先通过摄像头采集彩色图像,然后在HSV色彩空间内进行直方图均衡,并根据迷宫墙壁的色彩进行颜色分离与二值化,通过形态学操作去噪后进行轮廓检测,然后根据墙壁是规则的四边形这一特征搜索候选的标记,并逆时针顺序存储这些标记点;最后通过透视变换将摄像头采集到的扭曲了的迷宫图像校正后,统计每个小方块非0像素的个数,通过判断该小方块是否是全为非0的像素,提取出墙壁信息;所述最优路径求解算法:首先按照未知迷宫的搜索算法(获取迷宫的墙壁信息,并将该墙壁信息保存为一个16×16的数组;数组存储了迷宫图中16×16的迷宫格的相互之间的连通情况;然后创建一个队列,并用迷宫的目标方格的坐标位置作为该队列的初始值;再创建一个16×16的数组,用该数组保存每个迷宫格与目标方格之间的距离或称为编码值,将该数组所有元素初始为255,并将数组中目标方格对应元素赋值为0;接着将目标方格入队列,访问相邻未填充且连通的方格,将其填充一个比前方方格编码值大1的编码值,并将其坐标位置入队列;此后再判断是否还有相邻未填充且连通的方格,如有则进入下一轮循环。通过这种方法遍历各位置离目标方格的距离,得到距离值编码表;最后,将方格编码值按降序排序,即可获得从起点方格到目标方格的最优路径。本专利技术的另一目的在于提供一种安装所述基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统的无人驾驶汽车。本专利技术的另一目的在于提供一种安装所述基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统的工业智能控制系统。本专利技术提供的基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统及控制方法,采用先进的ZYNQ作为系统控制核心,可以提高电脑鼠的性能;经典的Flood-Fill迷宫最优路径算法平均需要运算899557次,而本专利技术提出的迷宫最优路径算法平均仅需要运算788次,本专利技术更快的迷宫最优路径算法的求解效率有了显著地提高,减少了99%以上的运算次数,大大降低了求解过程中的电脑鼠系统资源消耗,有效缩短了算法执行时间,证明了本文提出的更快的迷宫最优路径算法的优越性。本专利技术采用Zynq平台,充分利用了FPGA高效的实时处理和并行处理能力。针对目前电脑鼠智能车迷宫搜索时易受外界环境干扰、存在硬件系统资源消耗较多、最短路径求解耗时长和容易陷入局部最优解不足,本专利技术提出一种采用摄像头采集迷宫图像、采用图像处理方法进行迷宫搜索,采用基于改进的Flood-Fill最优路径求解算法计算最优路径的控制系统及控制方法。该控制方法将迷宫搜索与最优路径求解分离,控制系统首先利用摄像头采集迷宫图像,然后采用特定的算法通过图像处理的方式获取迷宫的墙壁信息,以此代替通过红外探测搜索迷宫从而获取迷宫墙壁信息的传统方式。在获取迷宫墙壁信息之后,采用改进的Flood-Fill最优路径求解算法求取最优路径。该改进的Flood-Fill最优路径求解算法假设迷宫的目标方格(Targetcell)处有“水源”,随着迷宫中“洪水”的流动,波前从目标方格开始向外扩展。通过对前沿方格(Frontcell)与目标方格距离的计算,由近及远距离值依次加1,循环填充迷宫。当波前最终到达迷宫的起点方格时,就完成了一次泛洪填充算法。正是通过前沿方格不停的移动与距离值的更新,最终获得了从目标方格到邻近方格中的距离值编码表。依据此表,将方格数值降序排序,即可获得从起点方格到目标方格的最优路径。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统结构示意图;图中:1、六轴MMEMS惯性传感器;2、红外发射管;3、红外接收管;4、摄像头;5、编码盘;6、主控制器;7、全桥驱动电路;8、微型电机;9、无线数据传输模块;10、人机界面模块。图2和图3是本专利技术实施例提供的基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制方法流程图;其中图2是未知迷宫本文档来自技高网
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基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统及控制方法

【技术保护点】
一种基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统,其特征在于,所述基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统包括:摄像头,用于采集迷宫图像;基于Zynq FPGA平台的主控制器用于对采集的迷宫图像进行图像处理以识别出迷宫中所有的墙壁位置,并由改进的Flood‑Fill算法求解最优路径,根据求解出的最优路径控制微型电机以最快速度行走迷宫并冲刺;编码盘,通过采集微型电机轴端旋转角度并反馈给主控制器以精确控制微型电机的转速和方向;红外发射管和红外接收管,用于定位校正以防止电脑鼠智能车走偏,同时用作墙壁检测以防止碰到墙壁;六轴MMEMS惯性传感器,用于反馈精确的运动姿态信息给主控制器,以控制电脑鼠智能车保持直立;人机界面模块和无线数据传输模块,用于电脑鼠智能车调试,无线数据传输模块可通过Wi‑Fi和蓝牙两种方式与主机或移动终端无线连接,电脑鼠智能车的工作状态、各种传感器的信息可实时无线传输到主机或移动终端,主机或移动终端也可以实时控制电脑鼠智能车;所述六轴MMEMS惯性传感器、红外发射管、红外接收管、摄像头、编码盘、无线数据传输模块、人机界面模块与主控制器连接;主控制器连接全桥驱动电路,全桥驱动电路连接微型电机,微型电机连接编码盘。...

【技术特征摘要】
1.一种基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统,其特征在于,所述基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统包括:摄像头,用于采集迷宫图像;基于ZynqFPGA平台的主控制器用于对采集的迷宫图像进行图像处理以识别出迷宫中所有的墙壁位置,并由改进的Flood-Fill算法求解最优路径,根据求解出的最优路径控制微型电机以最快速度行走迷宫并冲刺;编码盘,通过采集微型电机轴端旋转角度并反馈给主控制器以精确控制微型电机的转速和方向;红外发射管和红外接收管,用于定位校正以防止电脑鼠智能车走偏,同时用作墙壁检测以防止碰到墙壁;六轴MMEMS惯性传感器,用于反馈精确的运动姿态信息给主控制器,以控制电脑鼠智能车保持直立;人机界面模块和无线数据传输模块,用于电脑鼠智能车调试,无线数据传输模块可通过Wi-Fi和蓝牙两种方式与主机或移动终端无线连接,电脑鼠智能车的工作状态、各种传感器的信息可实时无线传输到主机或移动终端,主机或移动终端也可以实时控制电脑鼠智能车;所述六轴MMEMS惯性传感器、红外发射管、红外接收管、摄像头、编码盘、无线数据传输模块、人机界面模块与主控制器连接;主控制器连接全桥驱动电路,全桥驱动电路连接微型电机,微型电机连接编码盘。2.一种如权利要求1所述基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制系统的基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制方法,其特征在于,所述基于Zynq平台的电脑鼠智能车控制方法包括对未知迷宫的搜索算法、根据已获取的迷宫信息求解最优路...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈子为黄启宏徐洪超于文涛刘奇华桦徐文野苏鲁阳舒秉礼
申请(专利权)人:成都信息工程大学
类型:发明
国别省市:四川,51

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