朱永強(qiáng) 石炳明

摘要：車道保持是基于各種傳感器，當(dāng)車輛接近識別到的標(biāo)記線而且可能脫離行駛車道時，發(fā)出警報或者進(jìn)行控制的系統(tǒng)，在無人駕駛過程中，是非常重要的環(huán)節(jié)。本文基于樹莓派3B+，利用攝像頭設(shè)計搭建了智能小車，用Python語言編寫了車道保持算法。實(shí)驗(yàn)表明，該小車系統(tǒng)可以完成在規(guī)定賽道內(nèi)保持車道行駛，具有較好的響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：攝像頭;樹莓派;車道保持;Python

0? 引言

隨著無人駕駛技術(shù)的成熟，車道保持系統(tǒng)也發(fā)揮著越來越重要的作用。車道保持系統(tǒng)可以使車輛維持在正確既定的道路上，保證駕駛的安全性[1]。樹莓派是一款基于Debim Linux系統(tǒng)的嵌入式計算機(jī)，具有體積小，集成化程度高，擴(kuò)展性強(qiáng)，易于上手的優(yōu)點(diǎn)[2]，非常適合作為智能小車的主控板實(shí)現(xiàn)智能控制的功能。本文基于樹莓派3B+，完成小車在規(guī)定賽道內(nèi)的自動車道保持行駛。

1? 硬件搭建

小車系統(tǒng)主要包括底盤系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，攝像頭，電源。其中底盤系統(tǒng)包括4個輪子，4個電機(jī)以及底盤支架;控制系統(tǒng)包括主控板樹莓派3B+以及雙路直流電機(jī)驅(qū)動板模塊L298N;電源包括移動電源和四節(jié)干電池組成的6V電源。如圖1所示。

其中攝像頭獲取賽道信息，通過USB接口將信息傳輸?shù)綐漭衫铮瑯漭衫镆呀?jīng)編寫燒錄好的程序會根據(jù)收到的當(dāng)前賽道信息，計算得出小車的轉(zhuǎn)向參數(shù)，并將信號傳輸給直流電機(jī)驅(qū)動板模塊L298N，L298N根據(jù)模塊的輸入輸出規(guī)則，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。

本文實(shí)驗(yàn)電機(jī)驅(qū)動采用PWM值驅(qū)動，PWM值在[0，100]范圍內(nèi)，PWM值越接近100，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。而該電機(jī)驅(qū)動模塊L298N是雙路驅(qū)動模塊，所以只能驅(qū)動兩個電機(jī)。在本文實(shí)驗(yàn)中，將同側(cè)的兩個電機(jī)串聯(lián)在一起，接收同一個信號。當(dāng)L298N輸出的兩路信號相同，則小車實(shí)現(xiàn)向前直線行駛或向后直線行駛;當(dāng)L298N輸出的兩路信號不同，則小車左右輪轉(zhuǎn)速不同從而實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向功能。小車具體轉(zhuǎn)向角的大小由左右輪差速大小決定。

2? 算法介紹

本文使用Python語言基于OpenCV模塊編寫車道保持算法。算法流程如圖2所示。

該算法中，對攝像頭獲取的圖像單取第240行像素，即把攝像頭當(dāng)作線陣攝像頭使用，在經(jīng)過灰度化和二值化處理后，第400行像素只有白色點(diǎn)和黑色點(diǎn)，像素值分別為255和0。本實(shí)驗(yàn)賽道是在白色地面上鋪上黑色賽道線，所以當(dāng)檢測到像素值0時，即檢測到了賽道。對于雙車道線來說，會有四次黑白像素值的跳變，四次跳變位置的中點(diǎn)即賽道的中點(diǎn)。小車攝像投的拍攝像素是640*480，所以圖像的中點(diǎn)位置即320，當(dāng)攝像頭安裝在小車正中央時，小車的位置即為320。則賽道的中點(diǎn)位置與320的偏差，即小車與賽道中點(diǎn)的偏差。

當(dāng)偏差過大時，說明小車可能即將脫離賽道，此時小車停止;當(dāng)偏差較小時，為保持小車行駛的穩(wěn)定性，使小車?yán)^續(xù)直線行駛;當(dāng)偏差在一定范圍內(nèi)時，小車需要轉(zhuǎn)向，基于偏差越大，轉(zhuǎn)向角越大的經(jīng)驗(yàn)，偏差值與ΔPWM之間近似存在線性關(guān)系。由于本實(shí)驗(yàn)中，小車轉(zhuǎn)向的偏差值范圍為[100，320]，ΔPWM的范圍為[30，100]，所以有如下關(guān)系：

為防止轉(zhuǎn)彎時左右輪轉(zhuǎn)速變化較大，本文選擇的PWM差值分配方法是讓一個輪子速度不變，另一個輪子加上PWM差值[3]。當(dāng)小車左轉(zhuǎn)時，右輪加上ΔPWM;當(dāng)小車右轉(zhuǎn)時，左輪加上ΔPWM。

3? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證算法的有效性，本文進(jìn)行了小車在封閉雙車道線的實(shí)物實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)試選取的像素值的行數(shù)與小車攝像頭的俯仰角，最后完成了小車的車道保持功能。最終選取的像素為第400行像素，通過調(diào)試分析，選取較遠(yuǎn)的像素會導(dǎo)致小車響應(yīng)超前，造成提前轉(zhuǎn)彎;選取過近的像素會導(dǎo)致小策劃震蕩劇烈。選取一段視頻，利用Tracker軟件和Matlab繪制軌跡如圖3所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]張海林，羅禹貢，江青云，李克強(qiáng).基于電動助力轉(zhuǎn)向的車道保持系統(tǒng)[J].汽車工程，2013，35（06）：526531，525.

[2]石子昊，夏佳寧.基于樹莓派和Python的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（12）：120.

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