道路自動(dòng)識(shí)別的智能車設(shè)計(jì)

苗培梓 楊有為 王德宇 鄧 偉 姜爾赤

（1.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠 工程技術(shù)大隊(duì)，黑龍江 大慶163414）

0 引言

隨著全球信息和科技革命的興起，智能化和信息化廣泛應(yīng)用于我們的生產(chǎn)生活當(dāng)中，而對(duì)智能汽車的需求和發(fā)展，亦受到眾多國家的重視和支持。 近年來，智能車己經(jīng)成為世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車工業(yè)增長的新動(dòng)力，很多發(fā)達(dá)國家都將其納入到各自重點(diǎn)發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)中。 我國的智能汽車產(chǎn)業(yè)目前處于起步階段，較發(fā)達(dá)國家的發(fā)展水平還很落后，因此，對(duì)智能車的研究有助于我們智能汽車工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

本智能車硬件平臺(tái)采用MC9S12XS128 微處理器作為系統(tǒng)處理控制器，主要控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，調(diào)試平臺(tái)采用Code Warrior 軟件。 智能車的制作主要涉及單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)、攝像頭圖像信號(hào)的采集及其處理、控制算法和控制策略優(yōu)化等方面。

1 智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本智能車系統(tǒng)以 MC9S12XS128 單片機(jī)為核心控制單元，采用數(shù)字?jǐn)z像頭作為識(shí)別道路的傳感器， 通過光電編碼器檢測模型車的速度，使用增量式PID 閉環(huán)控制算法，通過 PWM 波調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向舵機(jī)的角度。我們力求系統(tǒng)的簡單高效，在滿足智能車性能的要求下， 使硬件結(jié)構(gòu)最簡單。

1.1 MC9S12XS128 單片機(jī)簡介

MC9S12XS128 是16位單片機(jī)， 由16 位中央處理單元、128KB 程序Flash、8KB RAM、8KB 數(shù)據(jù)Flash 組成片內(nèi)存儲(chǔ)器。

1.2 攝像頭的選擇

攝像頭根據(jù)所傳達(dá)的信號(hào)， 可分為 CCD 攝像頭和 CMOS 攝像頭。CCD 攝像頭又稱為模擬攝像頭，其采集到的視頻信號(hào)是模擬信號(hào)，需要經(jīng)過A/D 模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字值后再進(jìn)行處理和使用。 CCD 模擬攝像頭采集動(dòng)態(tài)圖像效果比較好，采集到的圖像信息比較清晰且穩(wěn)定性好，對(duì)比度也相對(duì)較高。但需要12V 的工作電壓，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行來說過于耗電。

CMOS 攝像頭又稱為數(shù)字?jǐn)z像頭，其內(nèi)部集成了A/D 模塊，直接輸出數(shù)字值可以將采集到的視頻信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭硬件電路相對(duì)簡單，工作電壓低，體積小，功耗也小，但圖像穩(wěn)定性不好，在動(dòng)態(tài)圖像的顯示中不如CCD 攝像頭清晰。而在本智能車設(shè)計(jì)中，由于CMOS 攝像頭已經(jīng)能滿足設(shè)計(jì)的性能要求，在考慮效率和功耗的基礎(chǔ)上，選用CMOS 攝像頭系列的OV7620。

1.3 主板電路

主板上裝有組成本系統(tǒng)的主要電路，包括如下部件：攝像頭接口、舵機(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編碼器接口、撥碼開關(guān)接口、電源接口、單片機(jī)最小系統(tǒng)板插座等。 主板電路圖如圖1 所示：

圖1 主板電路圖

圖2 主板電路原理圖

1.4 主板電路原理圖

智能車主板電路主要有五個(gè)模塊：控制處理芯片、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、圖像采集模塊、速度采集模塊和電源模塊。主板電路原理圖如圖2 所示：

其中，MC9S12XS128 單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)處理道路圖像數(shù)據(jù)、行駛速度等反饋信息，通過控制算法得出的控制量來對(duì)舵機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。舵機(jī)模塊和驅(qū)動(dòng)模塊分別用于實(shí)現(xiàn)車模的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)；圖像采集模塊由攝像頭和電平轉(zhuǎn)換電路組成，其功能是獲取前方路徑的圖像數(shù)據(jù)；速度采集模塊由光電編碼器提供，通過檢測脈沖累積數(shù)來求得車模的速度值；電源模塊主要用于為系統(tǒng)其他各個(gè)模塊提供所需要的電源。此外還有串口通信，撥碼開關(guān)等小模塊，功能是輔助調(diào)試和方便參數(shù)微調(diào)。

2 軟件開發(fā)

當(dāng)系統(tǒng)的硬件部分都設(shè)計(jì)定型后，建立在其上的軟件系統(tǒng)便直接決定了系統(tǒng)的后續(xù)使用性能和智能化程度。軟件系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路就是能采集穩(wěn)定圖像且分析處理去噪，然后通過核心芯片的控制系統(tǒng)，做出判斷并發(fā)出指令，根據(jù)實(shí)際路況和周圍環(huán)境，有效地控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)和舵機(jī)轉(zhuǎn)向。 軟件開發(fā)主要涉及圖像采集、路徑識(shí)別、舵機(jī)控制和電機(jī)控制等。

2.1 智能車主程序設(shè)計(jì)思路

智能車軟件系統(tǒng)的開發(fā)， 其實(shí)就是能控制智能車在道路上穩(wěn)定、安全、快速地跑完全程，也就是在眾多設(shè)計(jì)思路中，求解一個(gè)最優(yōu)解的問題，就是在最短的時(shí)間內(nèi)跑完整個(gè)包含復(fù)雜環(huán)境的賽道；采取最優(yōu)的控制算法完成對(duì)賽道的識(shí)別并作出合理的執(zhí)行措施；并能夠很好地去除噪點(diǎn)且保證智能車運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2 控制算法

經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和測算，在采集圖像完整、道路信息正確的情況下，我們采用經(jīng)典的PID 算法對(duì)智能車進(jìn)行閉環(huán)控制。 假定單位反饋e(t)代表理想輸入與實(shí)際輸出的誤差，這個(gè)誤差信號(hào)被送到控制器，控制器處理算出誤差信號(hào)的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號(hào)進(jìn)行線性組合，得到輸出量U(t)進(jìn)而控制PWM 模塊，通過PWM 模塊對(duì)舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行有效控制。PID 控制器由比例單元P、積分單元I 和微分單元D 組成，其反饋輸入e(t)與輸出U(t)的關(guān)系為:

U(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/dt]

式中積分的上下限分別是0 和t，其中Kp 為比例系數(shù)；Ti 為積分時(shí)間常數(shù)；Td 為微分時(shí)間常數(shù)。本軟件設(shè)計(jì)采用增量式PID 算法，PID控制算法是工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，其規(guī)律和特性已眾所熟知，此處就不再贅述。

2.3 中心線的確定

灰度值是指黑白圖像中點(diǎn)的顏色深度， 范圍值從0 到255 變化，白色為255，黑色為0。 我們采用的數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620 反饋的圖像信息就是黑白圖像，根據(jù)實(shí)際環(huán)境的變化，即光線明暗會(huì)隨著時(shí)間和路況的不同而發(fā)生變化，我們采用動(dòng)態(tài)閾值的處理辦法，對(duì)道路黑白圖像進(jìn)行二值化處理并去噪，就會(huì)得到我們需要的圖像。 處理后的圖像通過液晶屏顯示出來，如圖3 所示：

圖3 道路實(shí)況二值化

道路的二值化處理結(jié)果的反饋信息， 就是攝像頭的掃描結(jié)果，實(shí)際上也就是由行和列組成的一系列的數(shù)值。智能車的行駛需要一條系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別處理得到的行車線， 其實(shí)就是沿著道路的中性線行駛，根據(jù)道路圖像的二值化處理結(jié)果，需要計(jì)算出道路的中心線。 我們采取隔行隔列處理圖像的辦法，實(shí)際處理了50 行74 列，假定遇到彎道等復(fù)雜路況時(shí)，我們只處理30 行。攝像頭采集的黑白圖像離車身最近的一行是第50 行。我們設(shè)定智能車的起步線為第50 行的第37 列，即為道路的中間點(diǎn)，以此為基準(zhǔn)，當(dāng)攝像頭掃描第49 行時(shí)，以50 行的中心點(diǎn)作為本行的基準(zhǔn)點(diǎn)向兩邊掃描，以此類推；當(dāng)一幅圖像掃描結(jié)束，我們記錄這幅圖像最后一行的中心點(diǎn)， 作為下一幅圖像第50 行的中心點(diǎn)，然后再以此為中心點(diǎn)向兩側(cè)掃描。如此執(zhí)行中心線提取的任務(wù)，會(huì)增加圖像信息的準(zhǔn)確性，以上一行的中心點(diǎn)作為本行處理掃描的基準(zhǔn)點(diǎn)，由于兩行數(shù)據(jù)的實(shí)際距離不大，故兩行的中心點(diǎn)數(shù)值偏差不會(huì)太大，即使是急彎道的相鄰兩行的中心點(diǎn)數(shù)值相差也不會(huì)很大，如若數(shù)值差別較大，那么就可以認(rèn)定為是噪點(diǎn)，直接設(shè)置此點(diǎn)數(shù)據(jù)無效。 此外，這樣的處理方式還會(huì)大大節(jié)省單片機(jī)的運(yùn)算處理時(shí)間，提到處理效率。有了穩(wěn)定且可靠的中心線，智能車就可以沿著中心線行駛了，我們的設(shè)計(jì)目的也就達(dá)到了。

［1］卓晴，黃開勝，邵貝貝.學(xué)做智能車[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.