iCAN2023：應(yīng)用TDK產(chǎn)品的優(yōu)秀項(xiàng)目展示③：盲區(qū)偵測和安防系統(tǒng)

TDK作為iCAN大賽的合作伙伴，

本次為參賽選手們免費(fèi)提供四種產(chǎn)品

用于作品創(chuàng)作研發(fā)。

以下為大家介紹2例

使用TDK產(chǎn)品的優(yōu)秀項(xiàng)目的內(nèi)容！

學(xué)校：山東交通學(xué)院

成員：秦笑、李海錦、李宜達(dá)、趙淑同、熊梓姍

在國省道、縣鄉(xiāng)道路，存在大量的地形復(fù)雜，路窄、彎道多、坡陡，還有部分道路穿過村莊，易造成駕駛員視線遮擋，交通狀況復(fù)雜，主路駛過的車輛與支路車輛、行人碰撞事故很多。存在道路交通安全隱患，雖然事故多發(fā)路段設(shè)立了多種多樣的提示標(biāo)語與警示標(biāo)志，像常規(guī)的廣角鏡、標(biāo)志牌等，但效果還是不夠理想，針對(duì)急轉(zhuǎn)彎、陡坡彎道、村莊平角路口等不利地形或復(fù)雜路段的交通安全問題，迫切需要采用智能化交通技術(shù)對(duì)道路交通進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的偵測、提示、引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)道路交通安全有序、保障交通參與者生命和財(cái)產(chǎn)安全的目標(biāo)。項(xiàng)目主要設(shè)置在道路轉(zhuǎn)角處，集醒目預(yù)警、測速測距、輔助查看功能于一體。可以主動(dòng)判斷轉(zhuǎn)角道路對(duì)側(cè)移動(dòng)物體（行人/車輛），若轉(zhuǎn)角對(duì)側(cè)移動(dòng)物體是行人（車輛），則裝置上的人形（車形）警示標(biāo)志會(huì)不斷閃爍，顯示屏顯示該行人（車輛）的速度和到轉(zhuǎn)角的距離等信息。另外，本項(xiàng)目將收集到的轉(zhuǎn)角道路路況數(shù)據(jù)信息（包含裝置位置、運(yùn)行情況），實(shí)時(shí)上傳至基于SSM的后臺(tái)系統(tǒng)，進(jìn)行算法分析更新特征向量樣本集，可方便人員進(jìn)行維修以及降低裝置的誤判率。

本項(xiàng)目集智能識(shí)別、測速測距、醒目預(yù)警、算法分析、輔助查看于一體，可以主動(dòng)判斷轉(zhuǎn)角道路對(duì)側(cè)移動(dòng)物體（行人/車輛），若轉(zhuǎn)角對(duì)側(cè)移動(dòng)物體是行人（車輛），則裝置上的人形（車形）警示標(biāo)志會(huì)不斷閃爍，顯示屏顯示該行人（車輛）的速度和到轉(zhuǎn)角的距離等信息。本項(xiàng)目可減少因障礙物遮擋視線或天氣原因（如霧霾天氣）造成的交通事故，主動(dòng)提供出行者轉(zhuǎn)彎道路對(duì)向移動(dòng)物體的信息，可用于山區(qū)多彎地帶、城市轉(zhuǎn)彎道路、匝道、地下停車場、高檔別墅區(qū)、企業(yè)工廠、旅游景點(diǎn)等場地。另外，可實(shí)時(shí)為地圖軟件提供道路轉(zhuǎn)角信息，方便出行者查看。

本項(xiàng)目應(yīng)用在道路轉(zhuǎn)角處，采用主動(dòng)預(yù)警的方式告知出行者轉(zhuǎn)角對(duì)側(cè)的路況信息，利用激光雷達(dá)傳感器、計(jì)算機(jī)算法（如卡爾曼濾波算法、多傳感器融合算法、模糊聚類算法）和后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行檢測、分析、發(fā)布。傳感器檢測到的信息發(fā)送至微控制器中并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至警示燈和LED顯示屏，使之顯示“人形/車形”圖案、移動(dòng)物體的速度和到轉(zhuǎn)角的距離等信息。同時(shí)SIM868模塊獲取裝置的GPS信息，并將數(shù)據(jù)統(tǒng)一打包發(fā)送至后臺(tái)。項(xiàng)目可檢測距離轉(zhuǎn)角處110米處對(duì)側(cè)是否有移動(dòng)物體，并在距轉(zhuǎn)角100米處開始檢測并判別對(duì)向移動(dòng)物體的性質(zhì)和狀態(tài)。

當(dāng)行駛物體進(jìn)入轉(zhuǎn)角路段，硬件—智能檢測顯示系統(tǒng)開始檢測，包括以下步驟：

步驟1：激光雷達(dá)傳感器監(jiān)測轉(zhuǎn)角路段，通過三維成像處理技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)角處進(jìn)行三維成像；

步驟2：利用機(jī)器視覺進(jìn)行人車判斷，若行駛物體包含車輛，則其輸出有效信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行對(duì)該車輛進(jìn)行測速測距，然后進(jìn)入步驟4；

步驟3：利用機(jī)器視覺進(jìn)行人車判斷，若行駛物體包含行人，則其輸出有效信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行對(duì)該行人進(jìn)行測速測距，然后進(jìn)入步驟4；

步驟4：激光雷達(dá)傳感器發(fā)送相關(guān)信息至微控制器，微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至警示燈和LED顯示屏，同時(shí)開啟SIM868GSM /GPRS/GPS模塊獲取GPS信息，通過SIM868 GSM/GPRS/GPS模塊的GPRS功能將檢測到的信息統(tǒng)一打包發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器；

步驟5：服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)分類儲(chǔ)存，積累一定數(shù)據(jù)后，將有關(guān)信息進(jìn)行模糊聚類分析，得到更加精準(zhǔn)的特征向量區(qū)間，并且定期將該特征向量區(qū)間發(fā)送至微控制器，作為更新后的特征向量樣本集，微控制器依據(jù)此樣本集來進(jìn)行判斷，使裝置判斷更加準(zhǔn)確。

項(xiàng)目利用先進(jìn)的算法分析數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)識(shí)別移動(dòng)物體的類別，大大降低系統(tǒng)誤判率；

創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)“人形”、“車形”警示燈，并且顯示屏實(shí)時(shí)顯示詳細(xì)信息，主動(dòng)并醒目地將提示信號(hào)提供給駕駛員，提前預(yù)警，有效降低道路轉(zhuǎn)角盲區(qū)交通事故發(fā)生率；采用長壽命、高亮度的 LED 點(diǎn)陣屏顯示會(huì)車情況，并且區(qū)分人車。

項(xiàng)目具有可兼容性好,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，項(xiàng)目硬件設(shè)備可以應(yīng)對(duì)各種惡劣天氣，正常運(yùn)作于各種路況條件的彎道，軟件可以在各種操作系統(tǒng)下正常運(yùn)行。

采用TDK PiezoListen??壓電揚(yáng)聲器進(jìn)行警示，加強(qiáng)了低音域的輸出，輕薄，壓電音質(zhì)靈敏，安裝容易，車輛以80km每小時(shí)的速度在距離裝置 100米的位置可清晰的聽到預(yù)警聲音。

學(xué)校：鄭州大學(xué)

成員：張家碩、楊育成、王嘉旭、周慶鑫

勝羽仿生無人機(jī)與傳統(tǒng)固定翼微型飛行器及旋翼微型飛行器相比，勝羽撲翼微型飛行機(jī)器人不僅具有體積微小、隱蔽性和偽裝性更高、靈活性好、可操控性好、成本低廉、便于攜帶，并可集群控制的特點(diǎn)。更重要的是可懸停功能使得撲翼微型飛行器的靈活性和可操縱性大大提高?？蓮V泛運(yùn)用于農(nóng)、林、牧、漁，各種工業(yè)廠礦、電力、通信等單位的巡檢、安全保障等方面。并且這款空中仿生機(jī)器人采用了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別算法。在具體工作時(shí)，攝像頭所采集的空中圖像將先通過圖像處理程序去除圖像的噪聲，然后傳入已經(jīng)訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行處理，從而在較短的時(shí)間里識(shí)別出圖片里的目標(biāo)物體，進(jìn)而通過圖片里物體的相對(duì)位置進(jìn)而傳輸給控制系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人工作狀態(tài)的調(diào)整。

鳥類仿生撲翼式設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)固定翼微型飛行器及旋翼微型飛行器相比，撲翼微型飛行機(jī)器人不僅具有體積微小、隱蔽性和偽裝性更高、靈活性好、可操控性好、成本低廉、便于攜帶，并可集群控制的特點(diǎn)。更重要的是可懸停功能使得撲翼微型飛行器的靈活性和可操縱性大大提高?？蓮V泛運(yùn)用于農(nóng)、林、牧、漁，各種工業(yè)廠礦、電力、通信等單位的巡檢、安全保障等方面。

深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別算法

傳統(tǒng)圖像識(shí)別方法中特征提取主要依賴人工設(shè)計(jì)的提取器，需要有專業(yè)知識(shí)及復(fù)雜的調(diào)參過程，同時(shí)每個(gè)方法都是針對(duì)具體應(yīng)用，泛化能力及魯棒性較差，深度學(xué)習(xí)主要是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行特征提取，根據(jù)大量樣本的學(xué)習(xí)能夠得到深層的、數(shù)據(jù)集特定的特征表示，其對(duì)數(shù)據(jù)集的表達(dá)更高效和準(zhǔn)確，所提取的抽象特征魯棒性更強(qiáng)，泛化能力更好，并且可以是端到端的。相對(duì)于傳統(tǒng)方式，不需要做大量的特定領(lǐng)域知識(shí)的特征提取，同時(shí)可以提取到傳統(tǒng)方式難以提取到的深層抽象特征。這是傳統(tǒng)算法所不能比擬的。

其次傳統(tǒng)算法在大規(guī)模的樣本識(shí)別時(shí)的由于大量冗余的 proposal 生成，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下，容易在分類出現(xiàn)大量的假正樣本。同時(shí)傳統(tǒng)算法的特征描述子都是基于低級(jí)特征進(jìn)行手工設(shè)計(jì)的，難以捕捉高級(jí)語義特征和復(fù)雜內(nèi)容。而且檢測的每個(gè)步驟是獨(dú)立的，缺乏一種全局的優(yōu)化方案進(jìn)行控制。而深度學(xué)習(xí)則有效的避免了這些因素，相對(duì)于傳統(tǒng)方式，深度學(xué)習(xí)不需要做大量的特定領(lǐng)域知識(shí)的特征提取，同時(shí)可以提取到傳統(tǒng)方式難以提取到的深層抽象特征。在抗噪方面深度學(xué)習(xí)所得到的網(wǎng)絡(luò)的抗噪性也較傳統(tǒng)算法有優(yōu)勢。

最后，由于空中背景環(huán)境的復(fù)雜性，將極易導(dǎo)致依賴人工設(shè)計(jì)的提取器的傳統(tǒng)圖像識(shí)別算法識(shí)別目標(biāo)時(shí)出現(xiàn)問題，從而導(dǎo)致機(jī)器無法正常的工作并完成相應(yīng)的目標(biāo)，而采用深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別算法在訓(xùn)練時(shí)便可以通過不同噪聲環(huán)境下的樣本來增強(qiáng)系統(tǒng)的抗噪能力。

撲翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在對(duì)生物飛行方式的分析中，我們注意到，飛行生物的撲翼動(dòng)作并不是單一的上下?lián)鋭?dòng)，而是一種極為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式，其生物在運(yùn)動(dòng)過程中翼尖軌跡呈現(xiàn)出弧線形、橢圓形“8”字形等，這些運(yùn)動(dòng)形式可以分解為上下?lián)鋭?dòng)、周向扭轉(zhuǎn)和前后掃掠三自由度的合成。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、motion 仿真分析、ANSYS 有限元分析；設(shè)計(jì)出圖，建立控制系統(tǒng)，并進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)。

裝置組成：

執(zhí)行系統(tǒng)（齒輪搖桿機(jī)構(gòu)、機(jī)翼和尾翼）、動(dòng)力系統(tǒng)（微型電機(jī)）、能源系統(tǒng)（電池）和控制系統(tǒng)（位姿傳感器、接收機(jī)、遙控器）四部分組成。

首先，電池帶動(dòng)微型電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)經(jīng)齒輪減速后驅(qū)動(dòng)對(duì)稱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)搖桿運(yùn)動(dòng)，搖桿與撲翼?xiàng)U相連，可以實(shí)現(xiàn)撲翼?xiàng)U的上下?lián)鋭?dòng)，撲翼?xiàng)U上下?lián)鋭?dòng)可以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)所需的升力和推力，最終實(shí)現(xiàn)該機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，電池為尾翼舵機(jī)供電，通過控制尾翼的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)該機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)。控制系統(tǒng)通電后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該裝置飛行位置以及姿態(tài)的檢測與控制。

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的撲翼運(yùn)動(dòng)，我們采用多自由度曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。為了能夠精確控制左右翼來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)變換，我們確定了左右翼獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方案。其運(yùn)動(dòng)過程可以簡單劃分為四個(gè)階段：下?lián)潆A段、彎曲階段、上提階段、展平階段。

姿態(tài)控制系統(tǒng)：
用mpu9250陀螺儀和BMP280氣壓計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)和高度檢測，運(yùn)用pid控制算法進(jìn)行信息處理來實(shí)時(shí)對(duì)撲翼鳥的的姿態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)飛行旋轉(zhuǎn)功能。操作手在地面通過遙控器發(fā)送信號(hào)，撲翼鳥利用NF2401 2.4G模塊進(jìn)行通訊無線通訊當(dāng)stm32接收到無線模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)后進(jìn)行CRC校驗(yàn)并進(jìn)行解算得到pitch軸和yaw軸的期望角度，在pid的控制下精準(zhǔn)控制襟翼的拍打頻率以及尾翼的偏轉(zhuǎn)方向。

圖傳功能：
用ARM系列芯片STM32F407VET6做為發(fā)射和接收端的主控，利用OV2640模塊采集現(xiàn)場圖像，壓縮成jpeg格式的圖像數(shù)據(jù)。stm32通過DCMI接口獲取OV2640攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)。然后配置好ESP8266，讓其連接上位機(jī)服務(wù)器。將STM32采集到的圖像數(shù)據(jù)通過串口傳輸給ESP8266。ESP8266和上位機(jī)通過TCP/IP協(xié)議通訊，ESP8266將STM32發(fā)送過來的數(shù)據(jù)通過WIFI發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)將圖像數(shù)據(jù)解析為圖像顯示出來。

空中監(jiān)測和驅(qū)鳥原理：
空中監(jiān)測由控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)及輔助系統(tǒng)三大部分組成。其中，控制系統(tǒng)主要包括主控制器、從控制器、深度計(jì)、攝像頭、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等幾個(gè)部分。其中，主控制器為 Raspberry Pi，其主要用于圖像信息處理，并存儲(chǔ)六軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)；從控制器為 Pixhawk。Pixhawk 具有板載的陀螺儀、加速度計(jì)、指南針，用于感知設(shè)備的狀態(tài)。它可以采集傳感器信息，控制推進(jìn)器、燈光、電機(jī)等且用于控制驅(qū)動(dòng)，調(diào)整撲翼的擺動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)聯(lián)合六軸加速度傳感器與深度計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)整電機(jī)運(yùn)行保障機(jī)器的實(shí)際工作狀況穩(wěn)定。動(dòng)力系統(tǒng)包括電源、撲翼，為機(jī)器人移動(dòng)等各種活動(dòng)提供動(dòng)力。

飛行器采用了揚(yáng)聲器驅(qū)鳥，使用TDK PiezoListen??壓電揚(yáng)聲器，輕便且功能性強(qiáng)，仿生鳥可通過揚(yáng)聲器發(fā)出鳥的叫聲，能夠?qū)崿F(xiàn)在機(jī)場或農(nóng)田發(fā)現(xiàn)害鳥后發(fā)出害鳥天敵的聲音，達(dá)到在農(nóng)田或者機(jī)場驅(qū)趕害鳥的目的，從而保證機(jī)場的正常運(yùn)行與農(nóng)田的正常生產(chǎn)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)集成輕質(zhì)：基于曲柄雙搖桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能促使機(jī)器人飛行靈活和產(chǎn)生更大的有效升力。

實(shí)現(xiàn)圖傳功能：利用OV2640模塊采集圖像數(shù)據(jù)，stm32通過DCMI接口獲取攝像頭采集到的圖像，并通過ESP8266將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，通過上位機(jī)將圖像顯示出來。

實(shí)現(xiàn)自主飛行功能：在無人控制的情況下能盤旋于空中對(duì)地面單位進(jìn)行偵察，進(jìn)一步簡化操作難度，提高該機(jī)器人的穩(wěn)定性及實(shí)用性。

太陽能供電超聲波模塊：根據(jù)鳥類聽覺特性，安裝集合太陽能充放電智能控制和變頻超聲波控制的一體化控制器，在滿足超聲驅(qū)鳥的同時(shí)，保證了太陽能供電系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

TDK的壓電揚(yáng)聲器—PiezoListen?與已有壓電揚(yáng)聲器相比，加強(qiáng)了低音域的輸出，使得更寬音域的輸出成為可能。TDK憑借自有的積層技術(shù)和材料技術(shù)，開發(fā)出纖薄高位移壓電元件，從而實(shí)現(xiàn)了上述功能。與一般的已有揚(yáng)聲器相比，PiezoListe擁有世界上最薄級(jí)別（約0.49mm）的厚度，可不受空間限制進(jìn)行安裝。同時(shí)，因形狀靈活，可以使很多東西振動(dòng)，發(fā)出聲音。另外，PiezoListen也可以在低于24Vp-p的低電壓下獲得高聲壓。在4K 、8K視頻內(nèi)容的發(fā)展以及聲音多通道化的進(jìn)程中，TDK將繼續(xù)為客戶的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和聲音進(jìn)化做出貢獻(xiàn)。與已有壓電揚(yáng)聲器相比，加強(qiáng)了低音域的輸出，使得更寬音域的輸出成為可能。