【摘 要】本文基于攝像頭傳感器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)智能車自主循跡行駛。采用攝像頭傳感器的信號(hào)采樣模塊獲取賽道黑線信息，高效穩(wěn)定的循跡算法使小車能夠自主識(shí)別黑色引導(dǎo)線并根據(jù)黑色引導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。

【關(guān)鍵詞】智能；傳感器；PID

一、前言

智能車輛（Intellignt Vehicle-Iv），又叫輪式移動(dòng)機(jī)器人，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)[1]，它體現(xiàn)了自動(dòng)控制、人工智能、傳感技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合。自主導(dǎo)航技術(shù)是智能車輛最為核心的技術(shù)；而基于視覺(jué)的自主導(dǎo)航技術(shù)是針對(duì)城市環(huán)境的智能車輛研究中極具前景的方向，是典型的高新技術(shù)綜合體。智能車輛致力于提高汽車的安全性、舒適性和提供優(yōu)良的人車交互界面，是世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車工業(yè)增長(zhǎng)的新動(dòng)力。

美國(guó)交通部已開(kāi)始一項(xiàng)五年計(jì)劃，與美國(guó)通用汽車公司合作研發(fā)一種智能防撞系統(tǒng)。1995年6月，NabLab5進(jìn)行了穿越美國(guó)陸地的實(shí)驗(yàn)NHA，從美國(guó)賓州的匹茲堡到美國(guó)加州的圣地亞哥城市，其路程4587公里，其中自主駕駛部分占百分之九十七。

2003年，中國(guó)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)科學(xué)院院士張鈸帶領(lǐng)下研究制作的智能移動(dòng)車輛清華THMR-V [2]型智能車，具備面向全國(guó)高速公路與一般道路的功能。車輛采用的是道奇7座車改裝而成，裝有激光測(cè)距儀器和彩色攝影機(jī)組成的路徑與障礙物檢測(cè)系統(tǒng)；由GPS、光碼盤(pán)和磁羅盤(pán)組成的組合GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行視覺(jué)處理，完成路徑規(guī)劃、信息融合、決策與行為控制等諸多功能。

二、“飛思卡爾”智能車的發(fā)展

（1）國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

“飛思卡爾”杯智能車競(jìng)賽于2000年在韓國(guó)首次舉辦，韓國(guó)大學(xué)生智能模型車競(jìng)賽是韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)汽車控制實(shí)驗(yàn)室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司贊助下成立舉辦的以飛思卡爾單片機(jī)為核心的學(xué)生科技競(jìng)賽。由主辦方提供標(biāo)準(zhǔn)的智能小車模型、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)、可充電鋰離子電池，參賽的隊(duì)伍要制作一輛可以自主識(shí)別道路的智能車輛，在固定設(shè)計(jì)的道路上自動(dòng)識(shí)別道路和自主行駛，跑完賽程用的時(shí)間最短，并結(jié)合技術(shù)論文評(píng)分名次較高的參賽隊(duì)伍就是勝利隊(duì)伍。

（2）國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)教育部高等教育司研究決定于授權(quán)委托，在高等教育司的領(lǐng)導(dǎo)下，由教育部高等高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)主辦、飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦的“全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾杯智能車競(jìng)賽” [3]，自2005年由清華大學(xué)舉辦的第一屆智能汽車邀請(qǐng)賽，到2012年已經(jīng)舉辦了第七屆。智能車賽的成功舉辦，從根本調(diào)動(dòng)全國(guó)眾多大學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究熱情，對(duì)大學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用和實(shí)踐能力的提高具有積極的推動(dòng)作用。

（3）智能車賽的運(yùn)行規(guī)則

賽道路面用專用白色KT基板制作，賽道寬度不小于45cm。賽道與賽道的中心線之間的距離不小于60cm。跑道表面為白色，賽道兩邊有黑色線，黑線寬25mm±5，沿著賽道邊緣粘貼。智能車自主識(shí)別道路運(yùn)行，在沒(méi)有跑出賽道的前提下加快速度并能判斷起始點(diǎn)自動(dòng)停車。

三、攝像頭的工作原理

圖像傳感器，是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤(pán)卡保存。攝像頭具有探測(cè)范圍廣精度高等優(yōu)勢(shì)，前瞻性好，利于速度控制，同時(shí)也存在易受干擾處理信息量大等缺陷[4]。攝像頭成像的原理是當(dāng)光線照射景物，景物上的光線反射通過(guò)鏡頭聚焦，圖像傳感器就會(huì)感知到圖像。如圖2所示，攝像傳感器連續(xù)讀取描影像上的一行數(shù)據(jù)，則輸出信號(hào)便是連續(xù)的圖像電壓信號(hào)。當(dāng)掃完成一行，視頻信號(hào)輸出端就送出一個(gè)比視頻信號(hào)電壓還低的電平，并持續(xù)一段較長(zhǎng)的時(shí)間。接著每一行影像信號(hào)的后面就是行同步脈沖信號(hào)，是換行的標(biāo)志信號(hào)。然后提取下一行數(shù)據(jù)，直到提取完之一場(chǎng)的影像數(shù)據(jù)信號(hào)，然后就會(huì)有一小段場(chǎng)消隱信號(hào)。場(chǎng)同步脈沖預(yù)示著新的一場(chǎng)圖像來(lái)臨，只是，場(chǎng)消隱電平剛好跨在上一場(chǎng)數(shù)據(jù)的結(jié)尾處和下一場(chǎng)數(shù)據(jù)的開(kāi)始，場(chǎng)消隱信號(hào)過(guò)去后，下一場(chǎng)的影像數(shù)據(jù)信號(hào)才是數(shù)據(jù)。傳感器每秒掃描二十五幅圖像，每幅在分奇信號(hào)、偶兩場(chǎng)信號(hào)，先奇場(chǎng)信號(hào)后偶場(chǎng)信號(hào)。奇場(chǎng)圖像信號(hào)時(shí)只讀取圖像中的奇數(shù)行，偶場(chǎng)圖像信號(hào)則只讀取偶數(shù)行。

四、循跡算法

基于攝像頭傳感器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)智能車自主循跡行駛。智能車采用基于攝像頭傳感器的信號(hào)采樣模塊獲取賽道黑線信息。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的圖像提取方法是對(duì)攝像頭采集的信息進(jìn)行隔行提取，一共提取50行150列并且存儲(chǔ)在一個(gè)二維數(shù)組中。在處理二維數(shù)組時(shí)，把提取的50行數(shù)據(jù)分成5段，把150列分成15段，如圖3所示。

由于攝像頭在獲取圖像時(shí)存在失真，所以智能車即使在直道的中心看到的跑道兩邊黑線也不是平行的即所謂的梯形失真。為解決攝像頭失真可以通過(guò)在軟件中設(shè)定不同的P參數(shù)來(lái)彌補(bǔ)的方法，舵機(jī)偏轉(zhuǎn)的大小由智能車左右寬度的中心與跑道中心偏離的大小來(lái)決定。

道路檢測(cè)是指利用圖像處理檢測(cè)出能反映道路輪廓的道路標(biāo)志特征，如道路兩邊沿、道路中央導(dǎo)引線等。本系統(tǒng)圖像采集算法使用的是隔行采集算法，具體的處理方法是事先設(shè)定一個(gè)數(shù)組COM[50]，其存儲(chǔ)有所要采集的圖像行數(shù)，一共有50行。核心處理器檢測(cè)到攝像頭的行中斷到來(lái)后用一個(gè)變量Leap計(jì)算其次數(shù)，當(dāng)Leap等于COM[50]的某一個(gè)數(shù)時(shí)，把攝像頭接下來(lái)傳送的數(shù)據(jù)存到另一個(gè)數(shù)組SUM[50][150]中。

攝像頭采集的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在SUM[50][150]數(shù)組繪成一個(gè)二維表，最近車模是圖像的第49行，遠(yuǎn)離車模的前方是圖像的第0行。循跡的方法是當(dāng)攝像頭采集完一場(chǎng)數(shù)據(jù)后，從圖像的第35行第75列開(kāi)始往兩邊同時(shí)尋找黑線，當(dāng)向左尋線遇到有數(shù)據(jù)1時(shí)計(jì)數(shù)（圖像中黑色記為1，白色記為0），條件當(dāng)遇到黑點(diǎn)后在黑點(diǎn)的左邊有0或黑點(diǎn)的個(gè)數(shù)大于15成立則認(rèn)為尋到黑線，于是跳到第34行，以第35行黑線列數(shù)的平均列數(shù)作為第34行尋線的中心往兩邊尋找黑線，同理依次往上遞減尋黑線。右邊尋線同理左邊，當(dāng)其中的一邊沒(méi)有找到黑線時(shí)結(jié)束尋線。經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試，如果在35行中找到了兩條黑線則車模是直道上或者跑道的彎度不大，這種情況下使用平均差值法即求兩條黑線列數(shù)中值的平均數(shù)和75作差值，得出的值作為PID的P參數(shù)的參考值，當(dāng)差值是小于零的數(shù)則舵機(jī)左轉(zhuǎn)，反之舵機(jī)右轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)?5行只尋到一條黑線且中心小于75時(shí)，認(rèn)為尋到左線并表示車模前方的跑道相對(duì)彎度大，跑道條件不理想，車模作減速處理。尋線跳到第49行以第75列作為尋黑線的中心往左邊找黑點(diǎn)，當(dāng)黑點(diǎn)的左邊有0或黑點(diǎn)數(shù)大于30或列數(shù)小于0時(shí)成立時(shí)認(rèn)為找到黑線，反之認(rèn)為沒(méi)有找到?jīng)]線跳到下一行繼續(xù)尋找，如果找到黑線則跳到小于當(dāng)前行一行上尋線并以上一行黑線的中心列數(shù)為中心向兩邊找黑點(diǎn)，當(dāng)前行的黑線中心列數(shù)比上一行黑線中心列數(shù)±10列以內(nèi)則認(rèn)為當(dāng)前行找到黑線，以此類推一直檢測(cè)到第0行。當(dāng)?shù)?5行只尋到一條黑線且中心大于75時(shí)，則認(rèn)為找到右邊的黑線，尋線方法同理左線。

五、結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代生活中，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展人們的生活節(jié)奏加快，汽車已經(jīng)是生活中不可或缺的交通工具。無(wú)人自動(dòng)駕駛、道路偏離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、疲勞檢測(cè)系統(tǒng)等，人工智能和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)更好的通行能力和更加的安全環(huán)境。

【參考文獻(xiàn)】

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