薄曉寧

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車輛的數(shù)量大幅提升，而交通事故發(fā)生的頻率也隨之增加，為降低交通事故發(fā)生的概率，保證人民群眾的生命安全，智能化交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路出現(xiàn)并引起廣泛關(guān)注，而以圖像傳感器為基礎(chǔ)的智能循跡小車是智能化交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方面。在此背景下，本文針對(duì)基于圖像傳感器的智能循跡小車研究與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題展開(kāi)研究，為智能交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：圖像傳感器；智能循跡小車；研究與實(shí)現(xiàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.111

0 前言

循跡即小車在白色地板上形式的過(guò)程中，可以通過(guò)紅外探測(cè)方法，在感知黑色和白色地板對(duì)光線反射系數(shù)差異的基礎(chǔ)上，自動(dòng)、智能的在黑色線路中行駛的技術(shù)，但由于在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，白色地板和黑色線路的反射光線會(huì)受到多方面因素的影響，紅外探測(cè)的難度大幅提升，所以要將對(duì)環(huán)境判斷更加準(zhǔn)確的圖像傳感器應(yīng)用于智能循跡小車中。

1 基于圖像傳感器的智能循跡小車實(shí)現(xiàn)的基本原理分析

由于圖像傳感器的分辨率相比傳統(tǒng)紅外探測(cè)方法更加理想，所以以圖像傳感器為基礎(chǔ)進(jìn)行智能循跡小車設(shè)計(jì)，可以更理想的保證循跡運(yùn)行效果。在圖像傳感器應(yīng)用的過(guò)程中，智能小車一方面通過(guò)紅外光電管和攝像頭對(duì)前方的道路顏色進(jìn)行采樣，結(jié)合采樣數(shù)據(jù)識(shí)別具體的路徑，在此過(guò)程中為使檢測(cè)精度達(dá)到預(yù)期效果，光電管的安裝位置與地面之間的距離應(yīng)得到較嚴(yán)格的控制，但兩者間的距離縮減或使高速運(yùn)行的智能小車過(guò)彎能力下降，此時(shí)利用攝像頭在前瞻距離方面的優(yōu)勢(shì)可以彌補(bǔ)光電管的缺陷，完成過(guò)彎、抄近道等智能操作[1]。另外，面陣式布局的攝像頭在圖像采集的過(guò)程中所獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)多達(dá)上千，使智能小車判斷車道的依據(jù)更加豐富，進(jìn)一步提升了小車運(yùn)行的安全性。但由于攝像頭數(shù)據(jù)處理難度大，而且圖像采集效果受道路環(huán)境的影響非常大，所以在光電管和攝像頭結(jié)合應(yīng)用的過(guò)程中，仍存在圖像處理等問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，在基于圖像傳感器的智能循跡小車設(shè)計(jì)的過(guò)程中，另一方面要對(duì)圖像處理功能進(jìn)行優(yōu)化，考慮到大量數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)過(guò)程中出現(xiàn)的冗余會(huì)浪費(fèi)一定的存儲(chǔ)空間，提升微處理器的處理任務(wù)，所以在處理的過(guò)程中應(yīng)先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，在減少存儲(chǔ)資源利用量的同時(shí)防止非有效信息對(duì)采集信息的干擾[2]。另外，考慮到循跡的本質(zhì)是按照目標(biāo)引導(dǎo)線運(yùn)行，所以在圖像處理的過(guò)程中，重點(diǎn)工作是在濾除雜點(diǎn)的基礎(chǔ)上，識(shí)別黑色軌道，并在圖像中標(biāo)注除具體軌道的位置，為智能小車運(yùn)行提供依據(jù)。

通過(guò)以上圖像采集和處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)智能小車按軌跡安全、快速、靈活的運(yùn)行，這也是以圖像傳感器為基礎(chǔ)的智能軌跡小車實(shí)現(xiàn)的基本原理。

2 基于圖像傳感器的智能循跡小車研究

2.1 基于圖像傳感器的智能循跡小車硬件

基于圖像傳感器的智能循跡小車硬件主要包括以下部分：首先承擔(dān)接收賽道信息、校車運(yùn)行速度等信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理，確定小車控制具體方案，并通過(guò)舵機(jī)和直流電機(jī)對(duì)小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整控制的核心控制模塊。其次，由轉(zhuǎn)向舵機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和圖像采集電路等子模塊構(gòu)成的電源管理模塊，此模塊的硬件設(shè)備性能直接關(guān)系到智能小車運(yùn)行的持久性。再次，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行直接調(diào)整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，在智能小車運(yùn)行的過(guò)程中，微控制器是控制信號(hào)發(fā)出的主要結(jié)構(gòu)，但實(shí)際中大部分微控制器的工作電壓并不能對(duì)大功率負(fù)載實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，所以通常在電機(jī)和控制器之間設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，保證單片機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)[3]。然后，對(duì)智能小車行車速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證小車在直道和彎道中均處于最佳大運(yùn)行狀態(tài)的車速檢測(cè)模塊，目前，主要應(yīng)用霍爾傳感器、光電傳感器和光電編碼器實(shí)現(xiàn)，在具體選擇的過(guò)程中，結(jié)合具體傳感器的特點(diǎn)進(jìn)行靈活的選擇。另外，直接實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)向的舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊，筆者認(rèn)為將MC9S12XS128中的PWM2和PWM3級(jí)聯(lián)基礎(chǔ)上利用PWM2進(jìn)行脈沖調(diào)控信號(hào)的輸出，可以進(jìn)一步提升智能小車舵機(jī)的反應(yīng)速度。除此之外，由數(shù)字圖像傳感器對(duì)小車前路徑信息進(jìn)行采集并利用單片機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行信息挖掘，引導(dǎo)小車進(jìn)行狀態(tài)調(diào)整和路徑識(shí)別的圖像采集模塊，現(xiàn)階段主要應(yīng)用的數(shù)字圖像傳感器和單片機(jī)型號(hào)分別是OV7620和S12，在具體應(yīng)用中可結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行更換。

2.2 基于圖像傳感器的智能循跡小車軟件

現(xiàn)階段應(yīng)用的軟件設(shè)計(jì)方案主要是兩種，一種是通過(guò)中斷處理函數(shù)采集道路圖像數(shù)據(jù)，并在小車起跑線檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)軟件延時(shí)，判斷行中斷是否到來(lái)，在確定到來(lái)后采集現(xiàn)場(chǎng)該行圖像數(shù)據(jù)，在判斷本場(chǎng)數(shù)據(jù)采集完畢后進(jìn)行圖像處理，并結(jié)合處理結(jié)果進(jìn)行舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制和電極驅(qū)動(dòng)控制。另一種軟件方案是在開(kāi)始運(yùn)行后，系統(tǒng)變量和各功能模塊進(jìn)入初始化狀態(tài)，然后判斷定時(shí)時(shí)間是否來(lái)到，在獲得肯定信息后，開(kāi)始采集該廠圖像，進(jìn)行舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制和電極驅(qū)動(dòng)控制，并結(jié)合是否檢測(cè)到起跑線的信息反饋，在檢測(cè)到后判斷是否第二次檢測(cè)到，在肯定后結(jié)束，在否定后重新進(jìn)行初始化后的判定。現(xiàn)階段第一種軟件設(shè)計(jì)方案應(yīng)用相對(duì)更為廣泛，在采用CMOS數(shù)字圖像傳感器進(jìn)行智能小車循跡設(shè)計(jì)時(shí)，通常將第一種軟件設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體構(gòu)架表現(xiàn)為，開(kāi)始后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化、工作模式識(shí)別，如果判斷為測(cè)試模式，則啟動(dòng)傳感器、電機(jī)、舵機(jī)等結(jié)構(gòu)，如果判斷為比賽模式，則在對(duì)方向信號(hào)和速度信號(hào)采集的基礎(chǔ)上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判斷，此時(shí)要分別進(jìn)行方向和速度的控制，前者主要通過(guò)控制和改進(jìn)算法后舵機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，后者是在速度調(diào)節(jié)后電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，具體的設(shè)計(jì)需要結(jié)合具體采用的圖像傳感器類型進(jìn)行調(diào)整。

2.3 賽道圖像的處理系統(tǒng)

考慮到USB2.0視頻采集盒可以直接完成對(duì)音頻和視頻的高質(zhì)量采集，而且安裝過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)使用環(huán)境的依賴性較低，所以在基于圖像傳感器的智能循跡小車中應(yīng)用較為廣泛，通常將其采集到的圖像信息通過(guò)視頻采集卡向上位機(jī)傳輸，為操作者調(diào)節(jié)采集棒的具體參數(shù)提供參考，在調(diào)試的過(guò)程中，人們現(xiàn)階段主要應(yīng)用以VB為基礎(chǔ)的上位機(jī)串口調(diào)試軟件進(jìn)行。在圖像采集的過(guò)程中，如果應(yīng)用OV7620數(shù)字?jǐn)z像頭，可應(yīng)用的視頻信號(hào)達(dá)到288行，但中所周知，并不是所有的視頻信號(hào)在智能小車軌跡運(yùn)行的過(guò)程中均需要，特別是每場(chǎng)前22行消隱信號(hào)，如果盲目的采集只會(huì)造成存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)和計(jì)算效率的降低，使單片機(jī)的負(fù)擔(dān)加大，所以在圖像采集的過(guò)程中應(yīng)盡可能的對(duì)其余的266行視頻信號(hào)進(jìn)行采集，保證核心控制模塊的處理效率。在圖像采集后，利用S12系列單片機(jī)將采集到的圖像

數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確的傳輸至pc機(jī)，利用準(zhǔn)備的基于VB的上位機(jī)串口調(diào)試軟件，對(duì)圖像數(shù)據(jù)二維數(shù)組進(jìn)行處理，使其通過(guò)灰度圖的形式直接展現(xiàn)。

在以上圖像處理操作后，智能小車可以對(duì)所處賽場(chǎng)內(nèi)的軌道信息準(zhǔn)確的掌握和判別，操作人員也可以對(duì)小車進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，但需要注意的是智能小車在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，所需要的圖像信息存在差異，所以在智能小車循跡運(yùn)行的過(guò)程中，操作人員應(yīng)有意識(shí)的對(duì)攝像頭的安裝位置和調(diào)節(jié)趨勢(shì)進(jìn)行改變，盡可能達(dá)到“看的最遠(yuǎn)、看的最清晰”。

另外，在賽道圖像采集和傳輸?shù)幕A(chǔ)上，賽道圖像數(shù)據(jù)的分析也至關(guān)重要，通常情況下，基于圖像傳感器的智能小車所應(yīng)用的攝像頭圖像采集系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)和圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)共同構(gòu)成，在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，目前以圖像分割方法應(yīng)用最為廣泛。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于智能小車的賽道是在白色板面上按照黑色軌跡運(yùn)行，而且比賽環(huán)境的噪音較低，所以通常應(yīng)用全局閾值法實(shí)現(xiàn)閾值分割，在確定具體閾值時(shí)，通常選取幾個(gè)較常用的閾值，然后對(duì)其進(jìn)行對(duì)比，確定最合適的實(shí)現(xiàn)對(duì)賽道圖像的處理分析。

3 結(jié)論

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到車輛具有智能循跡性能，對(duì)減少交通事故發(fā)生概率的有效性，并在實(shí)踐中有意識(shí)的結(jié)合循跡技術(shù)的要求和圖像傳感器的原理，進(jìn)行以圖像傳感器為基礎(chǔ)的智能循跡小車的設(shè)計(jì)，這是我國(guó)車輛智能化設(shè)計(jì)水平提升的具體體現(xiàn)，對(duì)智能交通系統(tǒng)建設(shè)具有積極作用。

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