基于攝像頭的智能循跡小車(chē)控制算法設(shè)計(jì)

劉曉萌

摘 要：智能循跡小車(chē)的設(shè)計(jì)包括車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)和控制算法設(shè)計(jì)三個(gè)方面。文章采用模糊控制和PID算法進(jìn)行電機(jī)和舵機(jī)的控制，完成智能循跡小車(chē)的控制算法設(shè)計(jì)。該控制算法能夠使得智能循跡小車(chē)在指定賽道內(nèi)完成自動(dòng)行駛的功能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：算法設(shè)計(jì)；智能循跡小車(chē)；行駛控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP872 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）27-0010-02

引言

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能行車(chē)軟件開(kāi)發(fā)已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，許多的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和駕駛輔助系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)。

自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)需要依靠人工智能、視覺(jué)計(jì)算、雷達(dá)、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，讓電腦可以在沒(méi)有任何人類(lèi)主動(dòng)的操作下，自動(dòng)安全地操作機(jī)動(dòng)車(chē)輛?；跀z像頭的智能循跡小車(chē)的設(shè)計(jì)與控制軟件研發(fā)是探索自動(dòng)駕駛技術(shù)的一種有效途徑，它以攝像頭為路況監(jiān)測(cè)傳感器，完成在指定道路上的不同任務(wù)。

智能循跡小車(chē)的設(shè)計(jì)與控制軟件研發(fā)主要包含三個(gè)基本方面[1-3]：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)的搭建、軟件系統(tǒng)的編寫(xiě)。機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整模仿汽車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括重心調(diào)整，前輪定位等。硬件電路的設(shè)計(jì)遵從可靠性，穩(wěn)定性和完整性，設(shè)計(jì)出一套符合要求的硬件電路。軟件設(shè)計(jì)通過(guò)道路識(shí)別算法和控制算法完成控制，同時(shí)以大量的賽道數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)保證了智能車(chē)的穩(wěn)定性。

1 智能循跡小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)，底盤(pán)，舵機(jī)和攝像頭四個(gè)部分構(gòu)成。

在智能車(chē)底板與后驅(qū)動(dòng)模塊之間增加墊片可以降低底盤(pán)離地的間隙，為了保證智能車(chē)在彎道行駛時(shí)不發(fā)生側(cè)滑，底盤(pán)離地的間隙應(yīng)該是越小越好，但還要考慮車(chē)模在坡道處底盤(pán)不會(huì)碰到賽道，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)置底盤(pán)離地間隙為8mm。

舵機(jī)采用前置懸置方式安裝，使擺臂和舵機(jī)始終處于同一個(gè)水平面，有利于轉(zhuǎn)向的靈活性，縮短舵機(jī)反應(yīng)時(shí)間。

智能車(chē)CMOS攝像頭的安裝主要考慮了三個(gè)因素[4-5]：首先，保證攝像頭的位置絕對(duì)居中且正對(duì)前方；其次，在安裝高度上要盡量高，獲取足夠多的路況信息；最后，近瞻距離智能車(chē)20CM之內(nèi)，用來(lái)保證智能車(chē)不偏離賽道。遠(yuǎn)瞻在1M左右，在高速行駛的時(shí)候能夠提前判斷出前方賽道的類(lèi)型。

2 智能循跡小車(chē)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由K60最小系統(tǒng)、電源模塊，驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器模塊電路構(gòu)成，各個(gè)模塊都集成在一塊PCB板上，相比較各個(gè)模塊分離減輕了整車(chē)重量，同時(shí)保證了各個(gè)模塊在同時(shí)工作時(shí)的穩(wěn)定性。

智能車(chē)的控制芯片采用恩智浦公司的32位微處理器MK60FN1M，該芯片具有GPIO模塊FTM占空比（PWM）模塊、中斷模塊、A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換模塊和串口通信（UART）模塊。最小系統(tǒng)模塊包括輸入電源、復(fù)位電路、下載接口以及50MHz有源晶振，單片機(jī)最小工作電壓為3.3V。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

智能循跡小車(chē)通過(guò)CMOS攝像頭獲取黑白的賽道圖像，利用黑線(xiàn)提取算法提取賽道并計(jì)算賽道中心位置，通過(guò)比較智能車(chē)位置與賽道中線(xiàn)的偏移量的大小來(lái)控制舵機(jī)的打角，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車(chē)方向的控制。此外，在速度控制上采用不同的賽道類(lèi)型對(duì)應(yīng)不同的速度來(lái)確保智能車(chē)在各種賽道上的穩(wěn)定性，速度控制的算法采用模糊控制法，通過(guò)采集編碼器獲得的脈沖值的多少計(jì)算當(dāng)前速度值，用來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。

3.1 圖像矯正與黑線(xiàn)提取的計(jì)算

由于攝像頭采集到的圖像是一幅發(fā)散式的圖像，會(huì)產(chǎn)生縱向和橫向畸變，如果不進(jìn)行矯正，無(wú)法保證采集到的賽道圖像的正確性，會(huì)影響對(duì)賽道類(lèi)型的判斷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成智能車(chē)沖出賽道，無(wú)法完成任務(wù)。

由于攝像頭的畸變是梯形畸變，先不考慮縱向的畸變，攝像頭的橫向畸變近似為一個(gè)梯形。梯形矯正的方法為圖像最近一行為基準(zhǔn)，假設(shè)賽道寬度為50個(gè)像素點(diǎn)，那么第二行也要把賽道寬度拓展成50個(gè)像素點(diǎn)，進(jìn)行逐行矯正，這樣最后得到的圖像就是等寬的。

賽道中線(xiàn)提取算法基本思路：（1）掃描最底部三行數(shù)據(jù)，找出賽道的黑線(xiàn)坐標(biāo)；（2）利用前一行的黑線(xiàn)位置判斷下一行黑線(xiàn)的大概位置，確定一個(gè)掃描的范圍，避免進(jìn)行逐行掃描，節(jié)省大量時(shí)間；（3）根據(jù)掃描到的賽道寬度，判斷是否符合真正賽道的寬度，消除噪聲干擾。

3.2 分類(lèi)賽道控制算法

（1）直道的方向控制算法。直道是所有賽道元素中最簡(jiǎn)單最容易識(shí)別的元素，也是智能車(chē)速度最快的路段。在直道中的方向控制是很好實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)智能車(chē)偏離賽道一個(gè)偏移量時(shí)，通過(guò)計(jì)算賽道中心的位置與預(yù)定中心位置的差值，將這個(gè)差值反饋到PID方向控制上，智能車(chē)就會(huì)慢慢的回到賽道中心位置，這樣就實(shí)現(xiàn)了智能車(chē)在直道路段的方向控制。（2）大彎的方向控制算法。在賽道中遇到彎道需要轉(zhuǎn)彎時(shí)要考慮多個(gè)因素：彎道的彎曲程度、當(dāng)前的速度值和距離彎道的距離。由于舵機(jī)的轉(zhuǎn)向有一定的延時(shí)，為了減小延時(shí)增大舵機(jī)的電壓為最大電壓。由于智能車(chē)的速度很快，舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度過(guò)程中智能車(chē)已經(jīng)行駛了一段距離，所以遇到彎道時(shí)要提前轉(zhuǎn)彎，而且速度越快就要越提前轉(zhuǎn)彎，智能車(chē)提前轉(zhuǎn)彎多少由速度來(lái)決定，而轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)多少由賽道的彎曲程度決定，賽道越彎轉(zhuǎn)過(guò)的角度就越大，同時(shí)速度要控制的越低，不然會(huì)發(fā)生側(cè)滑甚至側(cè)翻的情況。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)獲取了豐富的數(shù)據(jù)，通過(guò)工具分析數(shù)據(jù)得到了彎曲程度、智能車(chē)速度和距離彎道距離之間的關(guān)系，通過(guò)實(shí)際的測(cè)試此關(guān)系完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。（3）急彎的方向控制算法。遇到急彎的處理方式和大彎的處理方式相似，需要提前減速和轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)向角也相應(yīng)增大，急彎的方向控制更加困難，要更加注意。（4）“小S型“道的方向控制算法。“小S型”彎道是一段類(lèi)似于“S”形狀的來(lái)回彎道組成的，智能車(chē)通過(guò)時(shí)如果不做處理就會(huì)連續(xù)打彎，增加通過(guò)的時(shí)間。如果遇到“小S型”彎道時(shí)能從中間直線(xiàn)通過(guò)就好了，能大大減少通過(guò)的時(shí)間。因此找到“小S型”彎道的中心非常重要，只有找到了中心位置，智能車(chē)才能全速通過(guò)，如果找不準(zhǔn)中心位置，那么智能車(chē)就很容易沖出賽道。具體方法是“小S型”彎道的圖像通過(guò)掃描黑線(xiàn)的算法可以?huà)呙璧阶詈笠恍?，此時(shí)賽道的中線(xiàn)都能計(jì)算出來(lái)，然后把賽道所有的中線(xiàn)進(jìn)行加權(quán)平均就能得到通過(guò)“小S型”彎道的最佳路徑。

4 結(jié)束語(yǔ)

只有出色的控制算法才能使智能車(chē)的各個(gè)部分完美配合，完成預(yù)定的任務(wù)。本文在基于攝像頭的智能循跡小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了控制算法的設(shè)計(jì)，為下一步整車(chē)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)制奠定了基礎(chǔ)。

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