基于CMOS圖像傳感器的智能尋跡廣播直播車(chē)軟件設(shè)計(jì)研究*

王 粵

(棗莊廣播電視臺(tái)，山東 棗莊 277000)

引言

智能尋跡車(chē)在廣播電臺(tái)、廠房、圖書(shū)館、餐廳、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所的智能巡檢或智能交互等場(chǎng)景中有廣泛的應(yīng)用.車(chē)輛集成了機(jī)器視覺(jué)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域?yàn)橐惑w，有良好的應(yīng)用前景[1-5].但是傳統(tǒng)智能尋跡廣播直播車(chē)系統(tǒng)對(duì)道路要求較高，不能對(duì)道路模糊處理，在尋跡有較大的提升空間.并且車(chē)輛在轉(zhuǎn)向中電機(jī)沒(méi)有控制，車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性較差[6-8].

為解決這些問(wèn)題，本文對(duì)智能尋跡廣播直播車(chē)軟件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn).整車(chē)采用OV7725數(shù)字?jǐn)z像頭實(shí)現(xiàn)路面信息的采集，采用編碼器等實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)車(chē)速的采集，采用PID控制、模糊PID等算法，在優(yōu)化整車(chē)PID參數(shù)的基礎(chǔ)上提高車(chē)輛在轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性[9-10].

1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是智能尋跡廣播直播車(chē)系統(tǒng)的核心.該控制系統(tǒng)主要由人機(jī)交互部分、圖像獲取與處理部分、整車(chē)控制三大部分組成.其中，圖像獲取與處理部分主要完成圖像采集與處理、偏差提取；整車(chē)控制主要完成整車(chē)的速度和方向的控制.軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.1 初始化模塊設(shè)計(jì)

初始化模塊是整車(chē)控制程序的基礎(chǔ)，下面對(duì)時(shí)鐘、串口以及PWM的初始化進(jìn)行介紹.

1.1.1 時(shí)鐘初始化

單片機(jī)在時(shí)鐘初始化后可以通過(guò)鎖相環(huán)(PLL)將系統(tǒng)的時(shí)鐘系統(tǒng)提高，寄存器中某些位、倍頻公式如下：

MCG_CLK_MHZ=

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，系統(tǒng)的外部晶振為50 MHz.CORE_DIV為系統(tǒng)時(shí)鐘分頻系數(shù)，它的初始值為0.BUS_DIV為總線時(shí)鐘分頻系數(shù)，它的初始值為1.FLEX_DIV-flex為時(shí)鐘分頻系數(shù)，它的初始值為9.FLASH_DIV為flash時(shí)鐘分頻系數(shù)，它的初始值為8.

1.1.2 串口初始化

為了便于調(diào)試，該設(shè)計(jì)利用UART串口通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸.串口初始化函數(shù)：uart_init(UARTn_e uratn,uint32 baud)，它有兩個(gè)輸入變量，其中UARTn_e uratn是模塊號(hào)(UART0-UART5)，uint32 baud為波特率，可以選擇不同的波特率.通過(guò)此函數(shù)可直接設(shè)置串口號(hào)、波特率.

1.1.3 PWM初始化

PWM即脈寬調(diào)制，脈沖寬度調(diào)制是一種可以由程序控制的波形，用來(lái)控制工作周期、相位等.

初始化FTM的PWM功能程序主要是初始化PWM通道、周期、占空比等.PWM初始化函數(shù)：ftm_pwm_init(FTMn_e ftmn,FTM_CHn_e ch,uint32 freq,uint32 duty)，uint32 duty為占空比的分子，占空比計(jì)算方法為：占空比=duty*FTMn_PRECISON，其中FTMn_PRECISON為占空比精度.

1.2 車(chē)行駛信號(hào)獲取與處理

1)道路圖像處理

傳感器采集的圖像存儲(chǔ)在數(shù)組里，接下來(lái)的一些程序設(shè)計(jì)就變成了對(duì)該數(shù)組的處理.首先得到道路的中線，采用了從中間往兩邊掃描的方法.圖像像素點(diǎn)由白色變成黑色的時(shí)候，記錄此坐標(biāo)，左右邊界相加除二，就是道路的中間線.為了使智能尋跡廣播直播車(chē)能夠在道路中間行駛，采用計(jì)算道路中心線的方法,如圖2所示.

2)彎道的補(bǔ)線

在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)圖像只會(huì)丟失一邊，需根據(jù)邊界變化的趨勢(shì)來(lái)補(bǔ)線.例如當(dāng)右邊界第11行丟線，然后計(jì)算左邊界的第11行與第10行的坐標(biāo)偏移量，因賽道平行，所以左右邊界偏移量是一樣的，將右邊界第10行坐標(biāo)加上偏移量就是右邊界第11行坐標(biāo)，并以此類(lèi)推.

3)車(chē)行駛偏差獲取與處理

智能尋跡廣播直播車(chē)在拐彎處靠近道路內(nèi)側(cè)行駛時(shí)，可以縮短行駛時(shí)間.首先選取某一行對(duì)應(yīng)于中間線的偏差，調(diào)試智能尋跡廣播直播車(chē)沿著中間線行走.這一步完成以后，把中線偏差加上這一段中線上兩點(diǎn)間的斜率，偏差和斜率都乘以一個(gè)權(quán)重，就是實(shí)際偏差了.

4)障礙的識(shí)別

由于道路上存在障礙，首先要根據(jù)圖像判斷出障礙.判斷是否為障礙需要滿足兩個(gè)條件：一是當(dāng)前智能尋跡廣播直播車(chē)所處位置為直道，二是根據(jù)搜線算法判斷出中線出現(xiàn)的跳變.檢測(cè)到障礙后，只需要控制舵機(jī)打一定的角度并保持一段時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)障礙的越過(guò),如圖3所示.

圖3 道路上存在障礙圖像

1.3 整車(chē)行駛狀態(tài)控制

1)整車(chē)速度控制

為了讓智能尋跡廣播直播車(chē)速度更快，根據(jù)道路的曲率判斷直、彎道，使用變速行駛的方法.本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)上的曲率計(jì)算方法，采用中線某點(diǎn)相對(duì)于上一點(diǎn)的偏移量來(lái)計(jì)算曲率.

由于智能尋跡廣播直播車(chē)目標(biāo)速度是連續(xù)改變的，為了控制精準(zhǔn)，首先要保證的是跟隨能力，所以靜差的影響可以忽略，從而采用PID控制.

PID控制器數(shù)學(xué)公式為：

(6)

式(6)中：u(t)為控制量；e(t)為偏差；KP為比例放大系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù).

2)整車(chē)轉(zhuǎn)向控制

智能尋跡廣播直播車(chē)轉(zhuǎn)向控制是根據(jù)處理得到車(chē)相對(duì)于道路中間位置的偏差.得到的偏差經(jīng)過(guò)PID算法計(jì)算，最終輸出到舵機(jī)，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向.

智能尋跡廣播直播車(chē)的轉(zhuǎn)向控制采用了PID控制算法.由于智能尋跡廣播直播車(chē)的轉(zhuǎn)向是個(gè)不斷變化的過(guò)程，是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，要保證控制的跟隨性.

系統(tǒng)對(duì)電機(jī)采用了增量式PID控制：

KD(e(k)-e(k-1))

(7)

式(7)中：KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)；T為采樣周期；e(k)、e(k-1)分別為第k、k-1采樣時(shí)刻輸入的偏差值.

為了提高智能尋跡廣播直播車(chē)舵機(jī)轉(zhuǎn)角的精度，本設(shè)計(jì)使用前四次偏差量的平均值和當(dāng)前偏差量的差作為微分項(xiàng).因?yàn)榈缆非闆r非常復(fù)雜，同一組參數(shù)并不一定能夠完全適應(yīng)不同的道路形式，比如KP過(guò)大，智能尋跡廣播直播車(chē)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象，過(guò)小的話拐彎力度不夠.所以本設(shè)計(jì)引入了模糊PID算法的概念，就是根據(jù)道路的彎曲程度給定不同的KP值，在直道上以小一點(diǎn)的KP系數(shù)運(yùn)行，提高穩(wěn)定性，彎道上以較大的KP運(yùn)行，增大拐彎力度.具體的分段方式是根據(jù)偏差大小來(lái)分的，偏差變大說(shuō)明智能尋跡廣播直播車(chē)正在進(jìn)入彎道，變小說(shuō)明進(jìn)入直道.

2 軟件部分的在線調(diào)試

智能循跡廣播車(chē)的底盤(pán)是實(shí)現(xiàn)路徑循跡的核心，這里采用MK60DN512ZVLQ10單片機(jī)為核心控制器，采用540電機(jī)、S-D5數(shù)字舵機(jī)、24 V 2 Ah 鋰離子電池等，設(shè)計(jì)出能夠自主識(shí)別路徑的智能車(chē).所設(shè)計(jì)的智能循跡廣播車(chē)的整車(chē)效果圖如圖4所示.

圖4 智能循跡廣播車(chē)的整車(chē)底盤(pán)

為了便于整車(chē)PID參數(shù)的在線調(diào)試，這里選用藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整車(chē)參數(shù)的上位機(jī)觀測(cè)，同時(shí)使用串口助手如圖5、上位機(jī)輔助如圖6、虛擬示波器如圖7等軟件，可以有效的幫助調(diào)試的時(shí)候觀察參數(shù)變化.

圖6 上位機(jī)界面圖

圖7 虛擬示波器界面圖

本設(shè)計(jì)主要調(diào)試PID里面的參數(shù)量，通過(guò)調(diào)參數(shù)來(lái)調(diào)試整車(chē)的行駛狀態(tài)，由于采用了PID算法，所以整車(chē)的速度、方向控制只需多次實(shí)驗(yàn)更改相應(yīng)的參數(shù)值就可達(dá)到優(yōu)化路徑、節(jié)能充電與行駛的目的.PID調(diào)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表所示1.

表1 PID調(diào)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

在相同的運(yùn)行路徑下，在線調(diào)試共進(jìn)行了五組實(shí)驗(yàn)研究，為了提高整車(chē)的期望速度，通過(guò)降低速度P和I的值可提高智能尋跡廣播直播車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度，最終整車(chē)運(yùn)動(dòng)速度從1 500 mm/s提高到了2 100 mm/s.但較高的速度會(huì)造成整車(chē)運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定，甚至丟失軌跡線進(jìn)而導(dǎo)致整車(chē)停機(jī)，可通過(guò)調(diào)節(jié)舵機(jī)P和D值，提高舵機(jī)的響應(yīng)速度，保證整車(chē)的穩(wěn)定性，在相同路徑下，整車(chē)運(yùn)行時(shí)間從35 s縮短至27 s.為了最大程度上發(fā)揮智能尋跡廣播直播車(chē)的性能，需要不斷調(diào)試電機(jī)和舵機(jī)的參數(shù)進(jìn)而使整車(chē)更加穩(wěn)定，因此開(kāi)發(fā)的采用藍(lán)牙通信的整車(chē)PID參數(shù)的在線調(diào)試系統(tǒng)可大幅提高調(diào)試速度.

3 結(jié)論

本文主要對(duì)智能尋跡廣播直播車(chē)的軟件部分進(jìn)行了分析，軟件程序的控制在硬件完好的基礎(chǔ)上才能更好地發(fā)揮作用，闡述了處理圖像的一些方法，以及一些道路特殊元素的識(shí)別.在控制算法上使用了PID控制算法提高了車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性，開(kāi)發(fā)的在線調(diào)試系統(tǒng)可大幅提高整車(chē)參數(shù)的調(diào)試速度.