基于圖像識(shí)別的多車(chē)編隊(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡杰，唐笠雄，陳昱

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018）

0 引言

隨著全球人工智能技術(shù)的不斷提高，智能車(chē)輛技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。但面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的交通環(huán)境，單個(gè)智能車(chē)表現(xiàn)出一定局限性，因此，多車(chē)協(xié)同控制的研究得到學(xué)者們廣泛的關(guān)注[1]。相比于單個(gè)智能車(chē)，多車(chē)協(xié)同系統(tǒng)具有更高的工作效率、更靈活的空間分布以及更好的魯棒性等優(yōu)勢(shì)[2]，有助于解決道路擁堵、節(jié)能環(huán)保和交通安全等問(wèn)題。隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的成熟，漸漸無(wú)人駕駛領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)寬應(yīng)用面。在實(shí)際生活中，多車(chē)編隊(duì)的行駛方式可以節(jié)省司機(jī)的壓力和節(jié)約能源，減少?gòu)U氣和廢物的排放。多車(chē)編隊(duì)可以通過(guò)車(chē)輛間通訊，車(chē)輛間距離檢測(cè)，車(chē)路協(xié)同等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且在很多限定場(chǎng)景中已經(jīng)得到了實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)使用了藍(lán)牙通信和距離檢測(cè)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于多車(chē)編隊(duì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示，系統(tǒng)的主控芯片使用沁恒CH32V307VCT6 單片機(jī)，CH32V307 是沁恒公司研發(fā)的基于 32 位 RISC-V 內(nèi)核設(shè)計(jì)的大容量通用微控制器，搭載 V4F 內(nèi)核，支持單精度浮點(diǎn)指令集，具有更高的運(yùn)算性能，可以使用RT—Thread 進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)。主頻為144MHz，具有豐富的通信、定時(shí)器和控制外圍電路，充分滿(mǎn)足多車(chē)編隊(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過(guò)MCU 將各個(gè)模塊協(xié)同工作，來(lái)使得多車(chē)編隊(duì)在不發(fā)生碰撞情況下可以快速行駛[3]。

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

■1.1 攝像頭模塊

系統(tǒng)使用MT9V032 總鉆風(fēng)攝像頭采集和處理圖像，MT9V032 總鉆風(fēng)攝像頭是一款基于MT9V032 芯片設(shè)計(jì)的傳感器模塊，是最適合高速情況下的圖像采集的全局快門(mén)攝像頭。該攝像頭FPS 可調(diào)，有著高性能動(dòng)態(tài)，可以進(jìn)行自動(dòng)曝光（自動(dòng)曝光開(kāi)啟時(shí)），曝光時(shí)間隨時(shí)可調(diào)（自動(dòng)曝光關(guān)閉時(shí)）?？傘@風(fēng)內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)配置芯片，用戶(hù)不需要自己編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。

■1.2 藍(lán)牙組網(wǎng)模塊

系統(tǒng)采用CH573 藍(lán)牙組網(wǎng)[4]作為車(chē)輛間通信的模塊。CH573 是集成 BLE 無(wú)線(xiàn)通訊的 RISC-V MCU 微控制器。片上集成低功耗藍(lán)牙 BLE 通訊模塊、全速 USB 主機(jī)和設(shè)備控制器及收發(fā)器等豐富的外設(shè)資源。CH573 藍(lán)牙組網(wǎng)封裝完善，使用串口就可以進(jìn)行調(diào)用，并且通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行配對(duì)，不存在密鑰等配置，直接進(jìn)行通信，收發(fā)一體，使用方便，發(fā)送距離遠(yuǎn)，發(fā)送位數(shù)更多。

■1.3 測(cè)距模塊

測(cè)距模塊使用了有來(lái)有去超聲波模塊，該模塊是由逐飛公司開(kāi)發(fā)的超聲波模塊，封裝完善。其中有來(lái)模塊負(fù)責(zé)接收超聲波信息，通過(guò)串口讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)格式下的按位取與讀取信息。有去模塊負(fù)責(zé)發(fā)送超聲波信號(hào)，上電后將使能端上拉電平即可使用。

■1.4 編碼器

編碼器使用1024 線(xiàn)編碼器傳感器，其用來(lái)進(jìn)行速度檢測(cè)反饋。由于1024 線(xiàn)進(jìn)行編碼，精度高，靈敏度和準(zhǔn)確性更高，對(duì)于檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)速信息更加準(zhǔn)備。編碼器安裝在有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的后輪上，通過(guò)齒輪咬合安裝來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)速。

2 車(chē)模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多車(chē)編隊(duì)由三輛小車(chē)組成，三輛小車(chē)的結(jié)構(gòu)相同，即將同樣的車(chē)模結(jié)構(gòu)復(fù)刻到三輛小車(chē)上。主要車(chē)模結(jié)構(gòu)是前輪的定位、舵機(jī)的安裝再加上編碼器和攝像頭等傳感器件的安裝和固定共同組成的。完整車(chē)模展示如圖2 所示。

圖2 整車(chē)結(jié)構(gòu)圖

■2.1 前輪定位調(diào)整

前輪是轉(zhuǎn)向輪，它可通過(guò)調(diào)節(jié)主銷(xiāo)內(nèi)傾角、主銷(xiāo)后傾角、前輪外傾角和前輪前束等進(jìn)行調(diào)整，如圖3 所示。

圖3 車(chē)模前輪定位

（1）主銷(xiāo)內(nèi)傾角

主銷(xiāo)內(nèi)傾角是指主銷(xiāo)裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用是使前輪自動(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時(shí)越費(fèi)力，輪胎磨損增大。對(duì)于模型車(chē)，因此汽車(chē)的主銷(xiāo)內(nèi)傾角都有一個(gè)范圍，約5°~8°之間。

（2）前輪前束

前輪前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線(xiàn)與縱向中心線(xiàn)的夾角，作用是保證汽車(chē)的行駛性能，減少輪胎的磨損。內(nèi)八字前端小后端大的稱(chēng)為“前束”， 反之則稱(chēng)為“后束”或“負(fù)前束”。

■2.2 舵機(jī)安裝

舵機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在小車(chē)的行駛中是極其重要的部分，因此合適的舵機(jī)的安裝位置和左右橫拉桿的長(zhǎng)度極大地影響著舵機(jī)的靈敏度。為了使舵機(jī)轉(zhuǎn)向順滑，我們選擇架高舵機(jī)，即在其兩側(cè)選用銅柱將其架高并起兩側(cè)加固作用，在舵機(jī)上下部位加裝車(chē)模機(jī)械組裝物件中的鐵座并用螺絲固定以此起到舵機(jī)上下固定作用。其中需要注意的是，為保證舵機(jī)轉(zhuǎn)向精度，銅柱安裝打孔時(shí)務(wù)必要注意左右的對(duì)稱(chēng)性。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源電路如圖4 所示，本系統(tǒng)使用7.4V 鋰航模電池作為供電總電源，設(shè)計(jì)了三級(jí)降壓電路為不同外設(shè)進(jìn)行供電。其中5V 供給有來(lái)有去超聲波模塊和MT9V032 總鉆風(fēng)攝像頭模塊，3.3V 作為單片機(jī)、OLED 顯示屏和聲光提示模塊的工作電壓。5V 電源選取使用了TI 公司的TPS5450 降壓芯片，3.3V 電源選取亞德諾半導(dǎo)體公司的ADM7172 這款線(xiàn)性電源，均具有噪聲小，帶負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 系統(tǒng)部分降壓電路

■3.2 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示，舵機(jī)額定工作電壓為6.0V，采用TI 公司的TPS5450 降壓芯片。單芯片的最大持續(xù)輸出電流高達(dá)5A。輸出電壓等于1.229×(R1/R2+1)，經(jīng)過(guò)計(jì)算選取R1=130kΩ，R2=33kΩ。

圖5 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6 所示，系統(tǒng)收到攝像頭傳回的圖像，進(jìn)行圖像處理，判斷道路類(lèi)型，擬合前進(jìn)的路線(xiàn)。根據(jù)擬合路徑與當(dāng)前的偏差，調(diào)整舵機(jī)的PWM 輸出來(lái)調(diào)整前進(jìn)方向和后輪的相應(yīng)差速。超聲波檢測(cè)與前車(chē)之間的距離，不斷調(diào)整電機(jī)輸出，來(lái)調(diào)整速度控制車(chē)距。編碼器積分路徑長(zhǎng)度，與判斷所得的道路類(lèi)型一起通過(guò)藍(lán)牙傳輸出去。藍(lán)牙接收到的前車(chē)路程與本車(chē)的路程對(duì)比，大致得到車(chē)距，減小超聲波的誤差影響。根據(jù)道路類(lèi)型，對(duì)環(huán)島等特殊道路元素，特殊判斷，特殊處理。并且通過(guò)設(shè)計(jì)，使編隊(duì)可以不碰撞情況下行駛[5]。

圖6 系統(tǒng)軟件主流程框圖

■4.1 圖像處理與道理信息提取

4.1.1 二值化處理

通過(guò)攝像頭每20ms 拍攝一次前面道路，采集到的圖像為灰度圖，為了方便圖像的處理需要進(jìn)行二值化處理。在這里我們選用大津法來(lái)選取灰度閾值來(lái)進(jìn)行黑白二值化處理，在單片機(jī)上使用大津且需要在20ms 內(nèi)完成，對(duì)于芯片算力要求過(guò)高，不可能保障50 的幀率和完整版的大津并存，所以這里對(duì)于大津進(jìn)行了一定修改。大津算法，也被稱(chēng)作最大類(lèi)間方差法，是一種可以自動(dòng)確定二值化中閾值的算法，從類(lèi)內(nèi)方差和類(lèi)間方差的比值計(jì)算得來(lái)，我們要分離度X 最大，在圖像灰度之中遍歷0-255，計(jì)算所有的分離度，則可以已找到最大的分離度，從而找到最佳的二值化閾值。在這里根據(jù)場(chǎng)地限制遍歷在0-OstuHigh 之間，再在灰度值抽取時(shí)，隔行隔列抽取，代碼如圖7 所示，保留數(shù)據(jù)還原度的同時(shí)，減少運(yùn)算量。節(jié)約了四分之三左右的運(yùn)算時(shí)間，將原本8ms計(jì)算的大津節(jié)約到2ms。

圖7 下位機(jī)大津代碼

4.1.2 上位機(jī)道路信息提取和擬合

通過(guò)編寫(xiě)上位機(jī)，搭建了一個(gè)仿真編譯的環(huán)境，再將提取到的二值化后的圖像通過(guò)串口導(dǎo)入到上位機(jī)中，在上位機(jī)中編寫(xiě)圖像擬合和仿真代碼，如圖8 所示。根據(jù)道路兩側(cè)的邊線(xiàn)等特征，來(lái)分析當(dāng)前道路類(lèi)型。道路兩側(cè)邊線(xiàn)確實(shí)嚴(yán)重，則很可能是十字路口。單側(cè)丟線(xiàn)嚴(yán)重，且擬合后曲線(xiàn)方差大，另一側(cè)丟線(xiàn)少，擬合后曲線(xiàn)接近直線(xiàn)，方差很小，可以認(rèn)為是環(huán)島。尋找到上頂角和左右兩側(cè)頂角，那么會(huì)認(rèn)為是分岔路口。識(shí)別道路中央的黑白條紋間隙分布，可以分析出斑馬線(xiàn)，在斑馬線(xiàn)前可以停車(chē)等待。根據(jù)道路類(lèi)型，做出對(duì)應(yīng)的擬合，擬合出行駛路徑。再將仿真代碼移植到下位機(jī)中，編隊(duì)就可以自動(dòng)尋跡行駛。

圖8 上位機(jī)仿真擬合

■4.2 防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防撞系統(tǒng)[6]的第一層設(shè)計(jì)是基于超聲波測(cè)距，通過(guò)有來(lái)有去超聲波模塊，接收到與前車(chē)之間的距離信息，距離信息單位是mm，精度很高，通過(guò)matlab 擬合速度與距離間的關(guān)系，如圖9 所示，通過(guò)PID 算法調(diào)整期望速度，再通過(guò)速度環(huán)控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)控距的目標(biāo)。第二層基于無(wú)線(xiàn)通訊傳輸?shù)玫降那败?chē)信息，比如前車(chē)積分得到的路徑值和前方元素信息，如果積分得到的路程與前車(chē)傳輸來(lái)的相差較大，也通過(guò)調(diào)整速度，控制距離。如果前方是斑馬線(xiàn)，前車(chē)已經(jīng)停車(chē)等待，這時(shí)候后車(chē)也應(yīng)該減速至安全距離后停下。

圖9 距離與速度曲線(xiàn)擬合

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

在多車(chē)編隊(duì)的測(cè)試中，這是一個(gè)調(diào)試的過(guò)程，通過(guò)不斷修改PID 參數(shù)和圖像擬合代碼，根據(jù)不同道路情況分析處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)多車(chē)編隊(duì)行駛。實(shí)測(cè)情況如圖10 所示。

圖10 多車(chē)編隊(duì)實(shí)測(cè)

最后測(cè)試了，30m、40m、50m 道路的實(shí)測(cè)情況，記錄編隊(duì)的成功情況，以及失敗的原因。測(cè)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的缺陷在于環(huán)島和十字的相撞問(wèn)題，隨著路程的增長(zhǎng)，發(fā)生相撞的概率更大[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是基于圖像識(shí)別的多車(chē)編隊(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在識(shí)別道路自動(dòng)循跡的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多車(chē)編隊(duì)，三輛小車(chē)間不發(fā)生碰撞，并且保持較高的行駛速度。在實(shí)際實(shí)踐中，對(duì)于防撞進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和算法上的改良，效果較好。但是仍然存在缺陷，超聲波檢測(cè)距離會(huì)存在盲區(qū)和一定的誤差，導(dǎo)致編隊(duì)有時(shí)候出現(xiàn)碰撞。后續(xù)可以通過(guò)改進(jìn)和升級(jí)超聲波模塊，比如使用UWB[8]精準(zhǔn)定位。在圖像識(shí)別上，后車(chē)無(wú)法完全處理掉前車(chē)入鏡時(shí)候的圖像，可能影響尋跡，導(dǎo)致小車(chē)行駛不穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)涂裝前車(chē)或者更換芯片性能更好的MCU，以及改進(jìn)圖像處理算法來(lái)濾除前車(chē)圖像的方式來(lái)做到。