葉夢君，黃仰來，雷改惠

(湖北師范大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

自動(dòng)循跡智能車相當(dāng)于無人駕駛智能車。無人駕駛技術(shù)難點(diǎn)在于路徑信息的采集、處理和判斷，其中路徑信息的采集、處理直接影響著智能車判斷的準(zhǔn)確性。OV7725攝像頭傳感器相當(dāng)于智能車的眼睛，小車通過傳感器獲取路徑信息，對采集的圖像信息進(jìn)行濾波、路徑識別，根據(jù)不同賽道的曲率值確定賽道類型；單片機(jī)采集到賽道圖像左右跳變沿位置的加權(quán)平均偏差，對加權(quán)平均偏差選擇合適的P、D參數(shù)進(jìn)行PD算法控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向；將采集賽道圖像二值化數(shù)據(jù)中心位置與左右跳變點(diǎn)位置的加權(quán)偏差進(jìn)行函數(shù)擬合，調(diào)節(jié)參數(shù)得到合適的速度控制電機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)小車的自主尋跡功能。

1 攝像頭智能車系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)

攝像頭智能車系統(tǒng)硬件分為6大模塊：主控制器模塊、電源模塊、賽道信息采集模塊和圖像調(diào)試顯示模塊、方向控制模塊、速度控制電路模塊，攝像頭智能車系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

主控制器模塊采用飛思卡爾公司推出的K60系列的32位微控制器MK60DN512ZVLQ10作為智能車嵌入式系統(tǒng)的核心控制單元，是整個(gè)攝像頭智能車的“大腦”，完成各項(xiàng)任務(wù)的分配與協(xié)調(diào)。電源模塊負(fù)責(zé)提供各子模塊所需的電壓，其中MK60DN512ZVLQ10需要3.3V電壓，獲取賽道信息的OV7725攝像頭供電電壓為3.3V,方向控制模塊中的SD5伺服舵機(jī)是6V供電，速度控制模塊中的74HC244芯片供電電壓為5V,測速編碼器歐姆龍E6A2-CW3C標(biāo)準(zhǔn)電壓為5V.賽道信息采集模塊采用攝像頭，通過攝像頭采樣以及硬件二值化，濾波處理，將得到的數(shù)據(jù)儲存在二維數(shù)組中，通過路徑識別算法提取偏差。方向控制模塊使用的是SD5數(shù)字舵機(jī)，該舵機(jī)轉(zhuǎn)向靈活、反應(yīng)速度快且力矩較大，通過賽道中心線部位與小車位置的偏差，由相應(yīng)控制算法控制舵機(jī)靈活轉(zhuǎn)彎。通過PID算法以及靈活調(diào)整PID參數(shù)，由給定中斷的時(shí)間間接獲取小車速度。停車由攝像頭采集圖像內(nèi)的黑白跳變沿個(gè)數(shù)來決定。

圖1 攝像頭智能車系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)框圖

1.1 主控制器模塊

采用飛思卡爾公司推出的K60系列的32位微控制器MK60DN512ZVLQ10作為智能車嵌入式系統(tǒng)的核心控制單元。MK60DN512ZVLQ10具有高達(dá)512KB片內(nèi)Flash程序存儲器，128KB SRAM，運(yùn)行頻率高達(dá)100MHz，16路通道的通用DMA控制器。片上集成有電壓調(diào)節(jié)、在線調(diào)試、時(shí)鐘產(chǎn)生定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和PWM輸出等模塊，滿足智能車系統(tǒng)的需要[1]。

1.2 電源模塊

電源是保證智能車正常工作的基礎(chǔ)，使用7.2V鎳鎘充電電池作為控制電源。由于系統(tǒng)各個(gè)部分所需額定電壓不同，主電源(7.2V)經(jīng)過升壓電路(MC34063)轉(zhuǎn)換為12V給速度控制電路模塊電機(jī)供電；主電源(7.2V)經(jīng)過降壓電路(TPS7350)轉(zhuǎn)換為5V給方向控制模塊舵機(jī)供電；主電源(7.2V)經(jīng)過降壓電路(AMS1117)轉(zhuǎn)換為3.3V給主控制器模塊、賽道信息采集模塊OV7725、圖像調(diào)試顯示模塊TFT小液晶供電[2]。

1.3 賽道信息采集模塊

賽道信息獲取是智能車穩(wěn)定快速運(yùn)行的根本保障。賽道信息通過0V7725攝像頭進(jìn)行采集，0V7725攝像頭采集速率可達(dá)每秒150幀，具有強(qiáng)大的去噪點(diǎn)和抗干擾功能，直接采用硬件二值化，將采集的數(shù)據(jù)直接二值化處理，無需軟件二值化，減少CPU占用，提高智能車的速度[3]。

1.4 方向控制模塊

攝像頭智能車能夠圍繞著賽道中心線穩(wěn)定運(yùn)行依靠舵機(jī)轉(zhuǎn)向功能。方向控制模塊采用的是SD5數(shù)字舵機(jī)，該舵機(jī)具體低成本、高扭矩、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。舵機(jī)有三根接線，紅色線接6V電源、黑色線接GND、白色線為舵機(jī)信號控制線，接PWM輸出端。本智能車舵機(jī)信號線接單片機(jī)的PTA8引腳，通過單片機(jī)的控制信號來調(diào)節(jié)舵機(jī)的脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向功能[4]。

1.5 速度控制電路模塊

速度控制模塊主要由電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編碼器等組成，與主控器一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果單片機(jī)輸出的PWM信號直接給到電機(jī)，會造成電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生過大的電流可能將單片機(jī)燒毀，故需要通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來控制電機(jī)。因?yàn)殡姍C(jī)采用的RN-540直流大電機(jī)，電流較大，驅(qū)動(dòng)電路采用IRF3205與IR2104組成的H橋電路更加安全有效，主控制器輸出一路PWM控制信號驅(qū)動(dòng)IR2104芯片，控制H橋以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)[5]。

2 攝像頭智能車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本智能車系統(tǒng)以MK60DN512VLQ10微控制器為核心控制單元，0V7725攝像頭傳感器采集賽道信息并直接進(jìn)行硬件二值化處理，單片機(jī)對攝像頭采集的二值化賽道信息進(jìn)行曲率計(jì)算以分辨賽道類型。利用攝像頭采集的賽道信息，對每一行取中值與物理中值作差，偏差加權(quán)取平均，采用不同的P、D參數(shù)，利用偏差的PD控制算法，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。針對不同的曲率給定不同的速度期望，由控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、編碼器構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過PID算法，實(shí)現(xiàn)速度控制，速度與舵機(jī)偏差結(jié)合，實(shí)現(xiàn)速度分段控制。最終實(shí)現(xiàn)小車在不同曲率的賽道上穩(wěn)定快速的行駛。攝像頭智能車軟件系統(tǒng)主要由以下4個(gè)部分組成：圖像濾波、圖像類型識別、方向控制、速度控制。

2.1 圖像濾波

0V7725攝像頭直接對采集的賽道信息進(jìn)行硬件二值化處理，為了較好地識別賽道類型，首先要對攝像頭采集賽道的二值化信息進(jìn)行濾波處理，采用中值濾波算法，即對每一行遍歷。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一點(diǎn)的前一個(gè)點(diǎn)和后一個(gè)點(diǎn)同為黑點(diǎn)或者白點(diǎn)，與該點(diǎn)不同，則將其進(jìn)行平均轉(zhuǎn)化為黑點(diǎn)或者白點(diǎn)。針對0V7725攝像頭采集的直道、彎道、環(huán)島道、十字道和Ω道不同位置處賽道信息的二值化圖像經(jīng)過濾波處理后的二值化圖像，攝像頭采集不同賽道二值化圖像經(jīng)濾波處理后圖像如圖2所示。

(a)攝像頭采集的直道二值化圖像經(jīng)濾波處理后的圖像

(b)攝像頭采集的彎道二值化圖像經(jīng)濾波處理后的圖像

(c)攝像頭采集環(huán)島道前后二值化圖像經(jīng)濾波處理后圖像

(d)攝像頭采集的十字道二值化圖像和濾波處理后的圖像

(e)攝像頭采集的Ω道二值化圖像經(jīng)濾波處理后的圖像

2.2 賽道類型的識別

在采集到濾波處理后的圖像，要對圖像的有用信息進(jìn)行壓縮處理，提取賽道中心線和判斷賽道類型。為保證小車在賽道行駛過程中舵機(jī)打角連貫及時(shí)且速度快，需要對不同的賽道類型選擇合適的參數(shù)，因此識別出賽道類型十分重要。一般通過賽道曲率來識別賽道類型。曲率就是指賽道的彎曲程度，故區(qū)分不同賽道類型可以轉(zhuǎn)換為區(qū)分不同賽道的彎曲程度。如果能夠知道不同賽道的曲率值，那么就可以區(qū)分出賽道類型。

常用的曲率算法有三點(diǎn)求曲率法和單點(diǎn)求曲率法。由于攝像頭會存在圖形微小畸變，故選擇單點(diǎn)求曲率法，該曲率法在圖形畸變很小的情況下可以直接使用，無需校正圖像。如圖3單點(diǎn)求斜率法顯示小車在賽道上的模型。

圖3 單點(diǎn)求斜率法顯示小車在賽道上模型

小車當(dāng)前在賽道A處，攝像頭檢測到前瞻為h處的賽道信息。假設(shè)小車在白色賽道中心線上，這時(shí)攝像頭上中心探測線與賽道在小車車身處的切線垂直。根據(jù)小車硬件構(gòu)架，前瞻h數(shù)據(jù)已知，而傳感器又可測出小車前瞻處點(diǎn)B和賽道中心線的偏差l。又因?yàn)橘惖繟C段可看成一段圓弧，由圖中圖形的幾何性質(zhì)，易知△ABC和△ODA相似。

因此可以算出AC段曲率：

式中h為常量，與硬件自身有關(guān)，只需要知道變量l則可以計(jì)算出曲率。

即曲率k與小車前瞻處點(diǎn)B和賽道中心線的偏差l成正比。通過實(shí)驗(yàn)的反復(fù)測試，將小車在不同賽道類型上進(jìn)行推動(dòng)，并左右移動(dòng)，通過OLED進(jìn)行參數(shù)顯示，確定出小車在不同賽道類型曲率值最大范圍和最小范圍。通過測試直道曲率范圍[-0.1,0.1]，小s彎道曲率范圍[-0.25,-0.12]或[0.12,0.25]，大s彎道曲率范圍[-0.45,-0.25]或[0.25,0.45]，直角彎道曲率范圍[-0.65,-0.5]或[0.5,0.65]，Ω彎和直角彎道與大彎道曲率均有交集，因此將Ω彎曲率范圍取直角彎道曲率范圍[-0.65,-0.5]或[0.5,0.65].根據(jù)曲率值的大小，確定小車所在的賽道類型，針對不同賽道類型，選取合適的參數(shù)，控制舵機(jī)靈活打角。

2.3 方向控制

OV7725攝像頭采集到的圖像的二值化數(shù)據(jù)為60行80列，為減少單片機(jī)處理時(shí)間和舵機(jī)打角的準(zhǔn)確性，將采集圖像的二值化數(shù)據(jù)前6行和后6行丟掉，使用中間的48行數(shù)據(jù)，從中間第40列處每行數(shù)據(jù)往兩邊掃直至找到左右跳邊點(diǎn)得到賽道左右寬度k1,k2，若找不到跳邊點(diǎn)則默認(rèn)第0列和第80列為跳變點(diǎn)，算出每一行偏差k3=k2-k1，如果k3>0，代表舵機(jī)需右轉(zhuǎn)；若果k3<0，舵機(jī)需左轉(zhuǎn)，得出每一行的偏差后，將前16行偏差之和A1乘以一個(gè)權(quán)重k4，中間16行偏差之和A2乘以一個(gè)權(quán)重k5，后16行偏差之和A3乘以一個(gè)權(quán)重k6，再進(jìn)行加權(quán)平均得平均偏差A(yù)4=(A1*k4+A2*k5+A3*k6)/(k4+k5+k6)；A4即為舵機(jī)位置式PID函數(shù)的輸入值，平均偏差A(yù)4=0，舵機(jī)不打角；平均偏差A(yù)4>0，小車位于賽道中心線的左邊，舵機(jī)需要右打角；平均偏差A(yù)4<0，小車位于賽道中心線的右邊，舵機(jī)需要左打角，為保證舵機(jī)打腳連貫順暢，可以將連續(xù)幾場的A4進(jìn)行權(quán)重再取平均。根據(jù)曲率值，得知不同賽道類型，選擇合適的參數(shù)P、D，使智能車在不同賽道類型達(dá)到較好的流暢打腳效果。通過反復(fù)實(shí)現(xiàn)測試，不同賽道類型，即不同曲率對應(yīng)的舵機(jī)P、D參數(shù)如下：曲率范圍為[-0.1,0.1]，對應(yīng)直道，方向控制PD算法對應(yīng)參數(shù)為kp=0.3,kd=0；曲率范圍為[-0.25,-0.12]或[0.12,0.25],對應(yīng)小s彎道，方向控制PD算法對應(yīng)參數(shù)為kp=0.66,kd=0.1；曲率范圍為[-0.45,-0.25]或[0.25,0.45],對應(yīng)大s彎道，方向控制PD算法對應(yīng)參數(shù)為kp=0.75,kd=0.9；曲率范圍為[-0.65,-0.5]或[0.5,0.65],對應(yīng)Ω彎與直角彎道，方向控制PD算法對應(yīng)參數(shù)為kp=0.97,kd=1.

2.4 速度控制

對于速度控制，主要是將主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)、編碼器構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)PID控制系統(tǒng)來進(jìn)行速度控制。由于賽道元素復(fù)雜，為了保證小車能在連續(xù)急彎快速穩(wěn)定地通過，需將小車速度與采集賽道圖像二值化數(shù)據(jù)中心位置與左右跳變點(diǎn)的位置的加權(quán)偏差進(jìn)行函數(shù)擬合，調(diào)節(jié)合適的參數(shù)，得到合適的速度，確保小車在賽道外側(cè)通過舵機(jī)修正穩(wěn)定駛過賽道，在賽道中心快速行駛。依據(jù)曲率可以得出賽道類型，每一賽道類型會有一個(gè)速度期望，通過增量式函數(shù)計(jì)算出輸出速度，然后將輸出速度與舵機(jī)打腳偏差abs(ddeviation-dmedian)和連續(xù)兩次舵機(jī)偏差的差nerror擬合一個(gè)函數(shù)關(guān)系式，得出最后的輸出速度。

ecpectedspeed=speed-k1*kp1*abs(ddeviation-dmedian)-nerror*k2;

式中speed為增量式函數(shù)計(jì)算出的輸出值(即輸出脈沖)；ddeviation為舵機(jī)偏差，即左右跳變點(diǎn)位置的加權(quán)偏差；dmedian為舵機(jī)中值，即采集賽道圖像二值化數(shù)據(jù)中心位置對應(yīng)舵機(jī)值；nerror為兩次舵機(jī)偏差之間的差；通過實(shí)驗(yàn)測試，k1=0.4，kp1=0.2，k2=0.5；

通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)測試，不同賽道類型，即不同曲率對應(yīng)的電機(jī)期望值如下：曲率范圍對應(yīng)直道，電機(jī)期望值djexpect=400；曲率范圍對應(yīng)小s彎道，電機(jī)期望值djexpect=300；曲率范圍對應(yīng)大s彎道，電機(jī)期望值djexpect=250；曲率范圍對應(yīng)Ω彎與直角彎道，電機(jī)期望值djexpect=250.

3 小結(jié)

本文介紹了攝像頭智能車系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。通過反復(fù)調(diào)試，選擇合適的參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)攝像頭智能車快速穩(wěn)定直行及循跡轉(zhuǎn)彎。