基于樹莓派的多傳感器遠(yuǎn)程駕駛小車設(shè)計

郭夢蝶,賀 飛,韓 磊

(沈陽科技學(xué)院,遼寧 沈陽 110167)

0 引言

近年來,信息技術(shù)和計算能力的提升推動了智能化技術(shù)的發(fā)展,遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)也取得了全方位的突破。遠(yuǎn)程控制產(chǎn)品在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,發(fā)揮著不可替代的作用。在搜救探測和智慧交通等領(lǐng)域,人們的需求不斷增加,遠(yuǎn)程控制駕駛小車應(yīng)運(yùn)而生。在火災(zāi)現(xiàn)場、自然災(zāi)害發(fā)生地和人類未涉足的區(qū)域,探測者經(jīng)常需要冒險進(jìn)入復(fù)雜的環(huán)境中采集環(huán)境數(shù)據(jù)[1]。為了保證安全,可以使用遠(yuǎn)程駕駛小車代替人類完成相關(guān)工作。樹莓派作為核心控制單元,引入了安全認(rèn)證機(jī)制和數(shù)據(jù)加密技術(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸和圖像處理,通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)操控小車,提高效率和便利性,推動智能交通的發(fā)展與應(yīng)用。隨著科技水平的進(jìn)步,遠(yuǎn)程駕駛小車種類繁多,各類傳感器設(shè)備被用于避障及探測模塊上[2]。然而,探測數(shù)據(jù)可視化和豐富化方面仍存在缺陷。如何將各種傳感器的信息融合,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ),是一個需要研究的課題。本設(shè)計選取樹莓派做為主控制器,憑借激光雷達(dá)和雙目攝像頭等設(shè)備收集環(huán)境信息,并通過4G移動信號通信實(shí)現(xiàn)與控制終端信息交互的功能,使用C語言編寫主程序?qū)崿F(xiàn)信號加密傳輸與控制,實(shí)時將信號傳輸給控制器,實(shí)現(xiàn)對小車的定位追蹤和調(diào)控[3]。

1 遠(yuǎn)程駕駛小車功能設(shè)計

1.1 設(shè)計目的

市面上有許多單一傳感器的遠(yuǎn)程駕駛小車,這些產(chǎn)品存在感知能力受限、依賴環(huán)境條件、易受干擾、信息不全面等問題。單一傳感器,如僅使用攝像頭或激光雷達(dá)等,攝像頭可能受到光線、天氣和遮擋等因素的干擾,影響圖像質(zhì)量和識別能力;而激光雷達(dá)雖然能夠提供較為準(zhǔn)確的距離和位置信息,但對于透明物體或特殊表面可能存在識別困難。同時,在強(qiáng)烈陽光照射下,攝像頭可能無法正確識別物體,或者在環(huán)境過于復(fù)雜或變化頻繁時,激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理和解釋可能變得困難。另外,攝像頭可能因干擾物或光線條件導(dǎo)致誤識別物體或出現(xiàn)虛假識別;激光雷達(dá)數(shù)據(jù)也可能因被其他物體反射或干擾物遮擋而產(chǎn)生錯誤的距離測量。單一傳感器的數(shù)據(jù)只能提供有限的信息,無法獲得物體完整、多角度的視覺或距離信息。這可能導(dǎo)致在遠(yuǎn)程駕駛過程中忽略一些重要的細(xì)節(jié)或障礙物。

為了克服這些缺點(diǎn),本設(shè)計使用多傳感器融合的方法,即將多個不同類型的傳感器組合起來,綜合利用它們的優(yōu)勢和互補(bǔ)性。使用多傳感器數(shù)據(jù)融合算法,可以提高遠(yuǎn)程控制小車的感知能力,增強(qiáng)對不同環(huán)境的適應(yīng)性,降低錯誤和干擾的影響。

1.2 實(shí)現(xiàn)功能

樹莓派遠(yuǎn)程駕駛小車通過多個傳感器來感知外界環(huán)境,這些傳感器是小車的“眼睛”,而樹莓派控制器則是小車的“大腦”。具體而言,紅外雷達(dá)、激光雷達(dá)、雙目攝像頭這3個傳感器可以識別感知外界環(huán)境,并將相關(guān)信息傳輸?shù)綐漭煽刂破髦?。該控制器通過對收集到的外界環(huán)境數(shù)據(jù)的整合,從中提取有用信息,經(jīng)過處理后向各個板塊和零件下達(dá)命令,從而提高了系統(tǒng)的容錯性、安全性和便利性。

另一方面,本設(shè)計采用語音識別芯片LD3320和配套的模塊控制電路以及STC公司的STC10L08XE單片機(jī),成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程駕駛小車的語音控制系統(tǒng)。LD3320芯片集成了語音識別處理器和外部電路,因此,不需要額外添加RAM芯片或Flash等。當(dāng)外部聲音進(jìn)入語音識別模塊后,LD3320將處理后的語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐漭煽刂破鬟M(jìn)行處理,之后樹莓派控制器發(fā)送控制命令數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程駕駛小車外圍串行設(shè)備,實(shí)現(xiàn)控制操作[4]。

本設(shè)計采用了傳感器信息融合技術(shù),利用SLAM建模方法處理激光雷達(dá)測量的數(shù)據(jù),從而獲取環(huán)境中障礙物的精確距離信息。同時,利用SIFT算法從雙目攝像頭在不同視角或距離獲取的圖像中找出特征點(diǎn)進(jìn)行匹配,得到旋轉(zhuǎn)角度信息。通過導(dǎo)航工具箱消除機(jī)器人在行進(jìn)過程中雙目攝像頭獲取圖像時間上的差異,結(jié)合激光雷達(dá)、紅外雷達(dá)以及雙目攝像頭收集的信息,本設(shè)計融合了距離信息和旋轉(zhuǎn)角度信息,由此確定移動機(jī)器人的初始位置并獲得路標(biāo)信息,構(gòu)建了特征地圖。最后,采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行自主導(dǎo)航[5]。

2 硬件組成

2.1 主控制模塊

本設(shè)計以樹莓派4B微型主板作為小車的控制核心,并搭載了ARM Cortex-A53 1.4 GHz 64位4核ARMv8 CPU。此外,該主板內(nèi)存較大,具備可實(shí)現(xiàn)多方擴(kuò)展功能的USB接口和更為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)接口,同時還可以實(shí)現(xiàn)視頻和音頻的有效傳輸以及人機(jī)之間的數(shù)據(jù)交流[6]。

2.2 驅(qū)動電機(jī)模塊

智能小車采用4個直流步進(jìn)電機(jī)和TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動模塊進(jìn)行運(yùn)動控制[6]。TB6612FNG是一款高效率、大負(fù)載能力的直流電機(jī)驅(qū)動器件,它由TB6612FNG芯片、電源接口、電機(jī)輸出接口和控制信號輸入接口等組成。相比傳統(tǒng)的晶體管H橋驅(qū)動器,它具有更高的效率和更大的負(fù)載能力。通過控制電機(jī)的速度和方向,小車可以適應(yīng)各種環(huán)境,實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動、啟停等動作,使智能小車能夠正常運(yùn)行。同時,電機(jī)驅(qū)動模塊接收PWM信號來調(diào)節(jié)電機(jī)速度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能小車的運(yùn)動控制。

2.3 紅外雷達(dá)探測模塊

該小車使用紅外線傳感器和光敏電阻器來檢測周圍環(huán)境。紅外線傳感器由發(fā)射管和接收管組成,當(dāng)發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外線時,如果沒有檢測到障礙物,接收管接收不到信號,電平保持不變;反之,如果前方有障礙物,接收管會接收到經(jīng)過反射后的紅外線,此時檢測相關(guān)引腳的電平變化可以判斷前方的障礙物情況和環(huán)境狀況。

同時,小車還裝有光敏電阻器,其電阻值隨環(huán)境的光強(qiáng)而改變,二者呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。將光敏電阻連接到主控板上,通過相關(guān)引腳的電平變化判斷環(huán)境光的強(qiáng)弱[6]。

主控板接收信號后,結(jié)合上述2種不同信號,運(yùn)用相關(guān)算法對周圍環(huán)境情況進(jìn)行分析,從而準(zhǔn)確判斷前方障礙物情況和光照狀況。

2.4 激光雷達(dá)模塊

在遠(yuǎn)程駕駛小車中,激光雷達(dá)是一種重要的傳感器,可以廣泛應(yīng)用于車輛的環(huán)境感知和導(dǎo)航。其主要作用是通過發(fā)射激光束并測量其返回時間來獲取環(huán)境的三維結(jié)構(gòu)和信息。相比其他傳感器,激光雷達(dá)不受光照條件限制,即使在黑暗環(huán)境中也能穩(wěn)定工作。激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)匹配定位具有很好的魯棒性和精度,因此應(yīng)用廣泛。

本設(shè)計采用SLAMTEC思嵐科技公司開發(fā)的激光雷達(dá)傳感器RPLIDAR A2。該傳感器結(jié)構(gòu)包括激光測距核心、供電與機(jī)械部分、通信與供電接口以及USB轉(zhuǎn)接模塊等。其中,激光雷達(dá)測距的核心部分由發(fā)射頭和接收頭組成。發(fā)射頭主要負(fù)責(zé)發(fā)射激光信號,接收頭專門用于接收反射信號并進(jìn)行專業(yè)處理。

RPLIDAR A2的工作原理:發(fā)射器發(fā)射激光信號,遇到障礙物產(chǎn)生反射,之后被激光接收器接收。激光接收器內(nèi)部具有高速視覺采集處理機(jī)構(gòu),經(jīng)過嵌入在RPLIDAR A2內(nèi)部的DSP處理器實(shí)時處理信號,從而可以從通信接口輸出被照射到的障礙物與RPLIDAR A2的距離值和角度信息。

2.5 雙目視覺模塊

樹莓派微型電腦主板可以通過外接4G圖像傳輸模塊實(shí)現(xiàn)視頻音頻的實(shí)時傳輸,因此探測模塊加裝了線性CCD攝像頭來對需要探測的環(huán)境進(jìn)行圖像采集,并將采集的圖像資料轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)資料傳輸?shù)叫≤嚳刂浦靼?。樹莓派主板通過4G移動信號將圖像傳輸?shù)娇刂平K端,然后由控制終端將控制指令傳輸?shù)綐漭芍骺刂破?主控制器控制電機(jī)做出相應(yīng)的反應(yīng)動作。攝像頭的加入進(jìn)一步豐富了小車的探測數(shù)據(jù),彌補(bǔ)了激光雷達(dá)和紅外線的探測結(jié)構(gòu)可視性不夠好的缺點(diǎn),使得探測小車的應(yīng)用范圍更加廣泛[6]。

3 探測信號傳輸

在系統(tǒng)激活后,CCD攝像頭雙目視覺模塊開始工作,利用4G傳輸將收集到的圖像信息送出至樹莓派主控制器上,收到信號后樹莓派主控制器向遠(yuǎn)程駕駛小車上的其他模塊及零件下達(dá)命令,電機(jī)驅(qū)動模塊開始工作。緊接著小車開始運(yùn)動,CCD攝像頭、激光雷達(dá)傳感器、紅外探測傳感器運(yùn)行。這樣就可以通過收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行即時定位和地圖構(gòu)建,進(jìn)而確定小車的位置和周圍情況。樹莓派控制器在接收到消息后,對其進(jìn)行整合并提取有用信息。再次將這些信息傳輸給電機(jī)驅(qū)動模塊,不斷調(diào)整行駛角度、方向、速度,使小車安全平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)語

基于樹莓派的多傳感器遠(yuǎn)程駕駛小車的技術(shù)改進(jìn)和未來的發(fā)展方向如下。

(1)改進(jìn)傳感器技術(shù)。傳感器是多傳感器遠(yuǎn)程駕駛小車的核心組件,不斷提升傳感器的性能可以增強(qiáng)系統(tǒng)的感知能力。

(2)加強(qiáng)算法和人工智能技術(shù)研發(fā)。多傳感器遠(yuǎn)程駕駛小車需要利用大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行感知、決策和控制,需要針對不同的駕駛場景和情況設(shè)計和優(yōu)化相關(guān)算法。

(3)加強(qiáng)通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究。多傳感器遠(yuǎn)程駕駛小車的遠(yuǎn)程駕駛模式需要通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛與控制中心之間的通信和數(shù)據(jù)交互。為了確保通信的可靠性和實(shí)時性,需要研究和開發(fā)高速、低延遲的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。