基于機(jī)器視覺(jué)的小車(chē)跟隨行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本系統(tǒng)以Arduino單片機(jī)為主控器，利用直流減速電機(jī)提供動(dòng)力，PWM控制L298N實(shí)現(xiàn)調(diào)速，利用Open MV攝像頭識(shí)別路線完成循跡。領(lǐng)頭小車(chē)和跟隨小車(chē)裝有藍(lán)牙模塊用于車(chē)間通信，跟隨小車(chē)車(chē)前裝有光電開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)避障和跟隨功能。兩車(chē)?yán)肞ID循跡算法實(shí)現(xiàn)小車(chē)沿黑線前進(jìn)，采用區(qū)域色塊識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)停車(chē)線的判斷。經(jīng)測(cè)試，小車(chē)功能穩(wěn)定，傳感器識(shí)別準(zhǔn)確，很好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；循跡；智能小車(chē)；Arduino單片機(jī)；L298N；Open MV4；光電開(kāi)關(guān)；PID

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）03-0-02

0 引 言

無(wú)人控制自動(dòng)循跡智能小車(chē)一直是行業(yè)研究的熱點(diǎn)，軌跡的識(shí)別性能對(duì)小車(chē)的循跡能力起著關(guān)鍵作用。隨著高性能芯片的升級(jí)換代及圖像識(shí)別算法研究的不斷深入，基于機(jī)器視覺(jué)的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)已在自動(dòng)循跡智能小車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。機(jī)器視覺(jué)是建立在計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論工程化基礎(chǔ)上的一門(mén)學(xué)科，涉及到光學(xué)成像、視覺(jué)信息處理、人工智能以及機(jī)電一體化等相關(guān)技術(shù)[1]。當(dāng)前，基于Open MV的機(jī)器視覺(jué)攝像頭應(yīng)用廣泛，Open MV以STM32H743 CPU為核心，集成OV5640攝像頭芯片，使用 Python 進(jìn)行編程，在設(shè)計(jì)上有著小巧、輕便、易于組裝等特點(diǎn)[2]。

現(xiàn)要設(shè)計(jì)一種無(wú)人控制自動(dòng)循跡智能小車(chē)跟隨行駛系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一輛領(lǐng)頭小車(chē)和一輛跟隨小車(chē)組成，小車(chē)都具有循跡功能。領(lǐng)頭小車(chē)和跟隨小車(chē)從起始點(diǎn)出發(fā)，沿著1.8 m（寬）×1.2 m（長(zhǎng)）的圓角矩形路徑行駛，完成一圈行駛后領(lǐng)頭小車(chē)到達(dá)停車(chē)標(biāo)記停車(chē)，跟隨小車(chē)應(yīng)及時(shí)停止且不能碰到前車(chē)。行駛場(chǎng)地為白色，行駛路徑用1 cm寬的黑色引導(dǎo)線來(lái)標(biāo)記。軌跡上的起始點(diǎn)與停車(chē)標(biāo)記為同一處，用垂直貼于路徑引導(dǎo)線的黑色標(biāo)志線來(lái)標(biāo)記，標(biāo)志線寬2 cm、長(zhǎng)5 cm。

本文采用Open MV機(jī)器視覺(jué)模塊作為圖像采集與處理平臺(tái)，通過(guò)Arduino控制智能小車(chē)實(shí)現(xiàn)上述功能。

1 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與選擇

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)思路

如圖1所示，本系統(tǒng)用攝像頭進(jìn)行循跡，攝像頭安裝在小車(chē)車(chē)體中軸線上，鏡頭俯視黑線。以Arduino單片機(jī)為主控器，每輛小車(chē)?yán)脙芍?00轉(zhuǎn)/分直流減速電機(jī)提供動(dòng)力，利用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行，利用OPEN MV攝像頭識(shí)別路線完成循跡。主車(chē)設(shè)置鍵盤(pán)用于選擇功能，領(lǐng)頭小車(chē)和跟隨小車(chē)裝有HC-05藍(lán)牙模塊用于車(chē)間通信以實(shí)現(xiàn)一起開(kāi)車(chē)和停車(chē)功能，從車(chē)?yán)眉t外傳感器使跟隨小車(chē)與領(lǐng)頭小車(chē)保持一定的距離。兩車(chē)都利用攝像頭和PID循跡算法實(shí)現(xiàn)小車(chē)沿黑線前進(jìn)，采用區(qū)域色塊識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)停車(chē)線的判斷，利用PWM調(diào)速實(shí)現(xiàn)對(duì)兩小車(chē)速度的穩(wěn)定及調(diào)節(jié)，同時(shí)設(shè)置LED燈、蜂鳴器等小型模塊。為了將電源電壓的變化對(duì)小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)影響降到最低，本系統(tǒng)采用通過(guò)14.8 V鋰電池降壓后的9 V穩(wěn)定電壓給電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元供電。

1.2 攝像頭黑線位置算法設(shè)計(jì)

Open MV探測(cè)黑線并計(jì)算輸出黑線的位置。攝像頭設(shè)置的圖像像素大小為QQVGA灰度模式，并將圖像區(qū)域分為三個(gè)區(qū)域A、B、C，如圖2（a）所示，黑線圖像進(jìn)入三個(gè)區(qū)域后會(huì)得到3個(gè)坐標(biāo)值xA、xB、xC。三個(gè)區(qū)域A、B、C分別設(shè)置不同的權(quán)重kA、kB、kC。通過(guò)用不同的權(quán)重對(duì)最大色塊圖像中點(diǎn)x'坐標(biāo)求平均值就可以算出相對(duì)黑線當(dāng)前的位置，其中最大的權(quán)重分配給靠近圖像頂部的A區(qū)，這個(gè)是由黑線左彎曲的特點(diǎn)決定的，可以更精確地判斷出黑線走向[3-5]。

按式（1）便可計(jì)算出黑線相對(duì)于中心點(diǎn)的角度，該角度數(shù)據(jù)利用串口輸出到單片機(jī)[6-7]。

（1）

1.3 小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)

小車(chē)?yán)肞ID進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制循跡。攝像頭不斷輸出黑線相對(duì)位置角度數(shù)據(jù)y（t），PID控制的偏差量為e（t）=y（t）-90。數(shù)字PID只用到了比例和微分，如公式（2）所示[8-9]。

（2）

式中：Kp為比例系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；e（k）和e（k-1）分別為第k和第k-1時(shí)刻所得到的系統(tǒng)偏差信號(hào)。

根據(jù)黑線特點(diǎn)和車(chē)速要求，通過(guò)不斷整定可確定合適的比例系數(shù)和微分系統(tǒng)；通過(guò)PID計(jì)算得出執(zhí)行量，若小車(chē)出現(xiàn)偏離，控制小車(chē)的兩個(gè)電機(jī)差速旋轉(zhuǎn)，并朝著偏差減小的方向動(dòng)作。在PID算法的控制下，小車(chē)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循跡[10-11]。

1.4 小車(chē)停車(chē)算法設(shè)計(jì)

在攝像頭成像范圍下方設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)100像素、寬20像素的矩形檢測(cè)區(qū)域，如圖3所示。在此范圍內(nèi)尋找寬度與停車(chē)標(biāo)識(shí)相當(dāng)?shù)暮谏珘K，若在此區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到黑色色塊，則傳送信號(hào)到單片機(jī)中，主控制器判定為到達(dá)停車(chē)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)

加電后領(lǐng)頭小車(chē)和跟隨小車(chē)要進(jìn)行初始化，包括設(shè)置攝像頭圖像像素大小為160×120，圖像格式為灰度圖；初始化單片機(jī)IO口，設(shè)置UART串口的波特率。領(lǐng)頭小車(chē)要初始鍵盤(pán)子程序并等待開(kāi)車(chē)按鍵按下。當(dāng)領(lǐng)頭小車(chē)收到開(kāi)車(chē)指令后，小車(chē)啟動(dòng)的同時(shí)會(huì)給跟隨小車(chē)發(fā)送一個(gè)開(kāi)車(chē)指令，實(shí)現(xiàn)兩車(chē)同車(chē)前進(jìn)。領(lǐng)頭小車(chē)和跟隨小車(chē)都具有獨(dú)立循跡功能，跟隨小車(chē)可利用光電開(kāi)關(guān)不斷探測(cè)與領(lǐng)頭小車(chē)的距離并通過(guò)減速實(shí)現(xiàn)避障。領(lǐng)頭小車(chē)探測(cè)到停車(chē)線后停車(chē)并通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送停車(chē)指令，實(shí)現(xiàn)同時(shí)停車(chē)。

2.2 循跡子程序

小車(chē)通過(guò)攝像頭反饋的圖像對(duì)前方圖像進(jìn)行識(shí)別。將各個(gè)區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到的最大色塊的中心位置坐標(biāo)的加權(quán)平均值與小車(chē)的相對(duì)位置進(jìn)行比較，得出黑線與小車(chē)中心位置的偏差量；單片機(jī)利用該偏差量對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行PID計(jì)算得到控制量，控制小車(chē)左右輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。當(dāng)黑線位于左側(cè)時(shí)，程序控制小車(chē)左電機(jī)減速，右電機(jī)加速；當(dāng)黑線位于右側(cè)時(shí)，程序控制小車(chē)左電機(jī)加速，右電機(jī)減速。加減速的量由控制量決定，從而使小車(chē)能夠始終沿著黑線方向前進(jìn)，如圖4所示。

2.3 停車(chē)子程序

在攝像頭成像范圍下方設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)100像素、寬20像素的矩形區(qū)域，如圖3所示。在此范圍內(nèi)尋找寬度與停車(chē)標(biāo)識(shí)相當(dāng)?shù)暮谏珘K，若在此區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到黑色色塊，則設(shè)置攝像頭中P2引腳為高電平，傳送信號(hào)到單片機(jī)中，主控制器判定為到達(dá)停車(chē)點(diǎn)。

2.4 小車(chē)間通信

領(lǐng)頭小車(chē)通電后，向跟隨小車(chē)發(fā)送行進(jìn)路線設(shè)置數(shù)值以及內(nèi)外道的選擇數(shù)值，進(jìn)行跟隨小車(chē)的初始化設(shè)置。領(lǐng)頭小車(chē)開(kāi)始行進(jìn)時(shí)向跟隨小車(chē)發(fā)送開(kāi)始行進(jìn)指令，小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中保持藍(lán)牙通信，領(lǐng)頭小車(chē)向跟隨小車(chē)發(fā)送指令，控制跟隨小車(chē)在路口處選擇路線以及在領(lǐng)頭小車(chē)到達(dá)終點(diǎn)處時(shí)停車(chē)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的基于Open MV的雙車(chē)循跡跟隨行駛系統(tǒng)，利用Open MV攝像頭實(shí)現(xiàn)了黑線的檢測(cè)。利用PID算法實(shí)現(xiàn)了小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制，保證了小車(chē)在高速行駛中穩(wěn)定循跡。利用藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)兩個(gè)小車(chē)間通信，最終實(shí)現(xiàn)循跡和跟隨功能。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，本系統(tǒng)穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

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