蔣澤鑫 侯明 陳培錫 張治康

北京信息科技大學(xué)，北京 100192

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，每個(gè)家庭基本上都具備了擁有一輛汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。隨著社會(huì)生產(chǎn)、生活的需要，人類(lèi)社會(huì)對(duì)于交通的依賴(lài)也越來(lái)越大。盡管城市交通方式多種多樣，但人們對(duì)于私家車(chē)的需求依然呈指數(shù)增長(zhǎng)，政府修建道路的速度仍無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)數(shù)量增長(zhǎng)的速度。龐大的汽車(chē)數(shù)量帶來(lái)了很多問(wèn)題，比如交通堵塞、交通事故、交通違法等事件都比之前有所增加，人、車(chē)與路之間的矛盾日益加劇[1]。為了減少這些事件的發(fā)生，國(guó)家開(kāi)始大力發(fā)展智能交通系統(tǒng)。我國(guó)早期對(duì)于智能交通系統(tǒng)的建設(shè)只是引進(jìn)國(guó)外的成熟系統(tǒng)，隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，智能交通系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)開(kāi)始迅速發(fā)展起來(lái)。國(guó)家政策也大力支持智能交通系統(tǒng)的建設(shè)，從“十二五”以來(lái)，為了支持智能交通的發(fā)展，我國(guó)已累計(jì)投入數(shù)千億的資金，并且于2019年9月發(fā)布了《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》，為智能交通系統(tǒng)的發(fā)展提供了十分便利的條件。同時(shí)，在高新技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，人工智能、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在未來(lái)的發(fā)展中將這些技術(shù)與智能交通系統(tǒng)相結(jié)合，將使大范圍、全方位實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的智能交通系統(tǒng)逐漸成為未來(lái)交通的方案。研究智能交通系統(tǒng)可從模型出發(fā)，而智能交通系統(tǒng)的模型從3個(gè)角度出發(fā)可分為學(xué)科體系模型、服務(wù)功能模型以及網(wǎng)絡(luò)層次模型。這3種模型對(duì)于智能交通系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、研究和標(biāo)準(zhǔn)化有著一定的指導(dǎo)意義[2]。在智能交通系統(tǒng)中，交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)采集有關(guān)道路的路況信息。近年來(lái)，隨著圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，基于視覺(jué)技術(shù)與圖像處理的車(chē)輛檢測(cè)器逐漸替代傳統(tǒng)的車(chē)輛檢測(cè)器，成為現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分[3]。針對(duì)智能交通系統(tǒng)研究需要，使用1:24的四輪車(chē)模，設(shè)計(jì)制作了一款基于OpenMV+STM32控制的智能小車(chē)，為智能交通系統(tǒng)的研究提供了低成本的實(shí)驗(yàn)室級(jí)別教學(xué)裝備。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示，采用長(zhǎng)焦OpenMV 1采集障礙物、紅綠燈、行人等信息，采用廣角OpenMV 2采集交通路線信息，兩個(gè)視頻模塊分別通過(guò)串口1和串口2與STM32主控制器通信。整個(gè)系統(tǒng)采用4節(jié)1.5 V的7號(hào)電池供電，系統(tǒng)電源輸入為6 V，采用LM2596穩(wěn)壓至5 V，為主控制器和OpenMV供電。主控制器通過(guò)PWM信號(hào)控制舵機(jī)，通過(guò)PWM信號(hào)和配置信息作用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6612以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。

1.1.1 小車(chē)模型

為了使該裝備占用的空間盡可能小，能容納在更多地方，小車(chē)采用1:24的四輪電動(dòng)模型車(chē)，長(zhǎng)寬為12 cm×6.5 cm。小車(chē)前方傾斜一定角度安裝有一個(gè)廣角攝像頭，用來(lái)采集道路信號(hào)；正前方裝有一個(gè)長(zhǎng)焦攝像頭，用來(lái)采集障礙物信號(hào)[4]。小車(chē)搭載一個(gè)舵機(jī)用作控制小車(chē)方向，迷你電機(jī)驅(qū)動(dòng)，前后車(chē)輪采用軸傳動(dòng)，傳動(dòng)效率高，運(yùn)行平穩(wěn)。小車(chē)安裝有一個(gè)3D打印框架，用作固定兩個(gè)OpenMV和一個(gè)STM32主控板，保證攝像頭角度以采集到有效交通信號(hào)。小車(chē)模型如圖2所示。

1.1.2 街景模型

為模擬真實(shí)道路以測(cè)試小車(chē)識(shí)別交通信號(hào)之后做出的反應(yīng)，本文搭建了一個(gè)尺寸1.2 m×1.2 m的模擬環(huán)境，包含城市道路、交通燈、行人及障礙物，如圖3所示。街景中央放有建筑物、草坪，交通道路以白線為邊界，道路中間的黃線為循跡線條。街景用小乒乓球模擬障礙物，用紙人模擬真實(shí)道路中的行人，用紅黃綠LED燈作為真實(shí)道路中的紅綠燈。

1.1.3 系統(tǒng)主控電路構(gòu)成

一個(gè)高精準(zhǔn)控制、低干擾的硬件電路是智能算法運(yùn)行的基礎(chǔ)前提條件。小車(chē)控制系統(tǒng)采用STM32C8T6芯片作為主控芯片，其具有體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)[5]，具有最高72 MHz時(shí)鐘頻率，定時(shí)器資源豐富，最多可以同時(shí)輸出30路高精準(zhǔn)度的PWM信號(hào)，具有3個(gè)串口，可與多個(gè)外部設(shè)備連接，選用STM32既滿(mǎn)足了車(chē)輛的小型化也滿(mǎn)足了控制精度和靈敏度的需求。自主設(shè)計(jì)的硬件電路主要包括電壓轉(zhuǎn)換、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)及控制、信號(hào)檢測(cè)的作用幾個(gè)部分[6]。

1.1.4 電源及電壓變換

小車(chē)系統(tǒng)的電力變換過(guò)程如圖4所示。小車(chē)采用6 V電池組供電，通過(guò)LM2596芯片穩(wěn)壓到5 V為舵機(jī)供電，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為電機(jī)供電，通過(guò)LM1117穩(wěn)壓輸出3.3 V為STM32單片機(jī)和OpenMV供電。

1.1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用TB6612雙電機(jī)直流驅(qū)動(dòng)芯片，最高連續(xù)電流1 A，最大PWM頻率100 kHz，具有正反轉(zhuǎn)、停止、制動(dòng)4個(gè)狀態(tài)，工作溫度范圍廣，動(dòng)作速度快，功耗滿(mǎn)足小車(chē)需求。

1.1.6 目標(biāo)檢測(cè)

本系統(tǒng)采用雙攝像頭的設(shè)計(jì)，利用OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊，通過(guò)OV7725攝像頭采集路況信息。其中，設(shè)計(jì)采用廣角攝像頭搭配OpenMV識(shí)別道路路線，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的車(chē)道保持功能；采用長(zhǎng)焦攝像頭搭配OpenMV采集障礙物以及紅綠燈信息，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的實(shí)時(shí)避障和紅綠燈識(shí)別功能。

1.2 系統(tǒng)軟件構(gòu)成概述

模擬道路采用與真實(shí)道路相近的黃白線設(shè)計(jì)，使用廣角攝像頭的OpenMV實(shí)現(xiàn)黃線循跡。當(dāng)OpenMV模塊上電開(kāi)啟后，首先，讀取灰度圖像，同時(shí)關(guān)閉自動(dòng)增益以及白平衡，并將圖像橫分成3個(gè)矩形作為取樣區(qū)域，每個(gè)矩形區(qū)域占有一定的權(quán)重，具體權(quán)值需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，離小車(chē)視野最近的矩形權(quán)值最大；然后，依次對(duì)視頻幀進(jìn)行處理，并利用顏色識(shí)別分別尋找3個(gè)設(shè)定好的矩形區(qū)域內(nèi)的線段，當(dāng)在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)識(shí)別到直線時(shí)，將最大的線段塊作為本區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)直線，用這3個(gè)矩形框和十字形將視野中的直線框出；最后，分別用3個(gè)矩形框的x軸坐標(biāo)權(quán)重相乘，再求其和，將此值與視野中線對(duì)應(yīng)值作比較，即可求出路線在視野中的偏轉(zhuǎn)方向和角度[7]。根據(jù)計(jì)算得到的偏轉(zhuǎn)角度和方向向主控制器發(fā)送對(duì)應(yīng)的控制信息，即可實(shí)現(xiàn)小車(chē)的視頻巡線功能。

模擬道路中設(shè)有紅綠燈和障礙物，采用長(zhǎng)焦攝像頭在指定的距離范圍內(nèi)識(shí)別跑道上的障礙物以及紅綠燈信號(hào)。當(dāng)模塊上電開(kāi)啟后，首先，讀取彩色RGB圖像，并關(guān)閉白平衡；接著，利用矯正函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行畸變矯正，在ROI區(qū)域內(nèi)尋找障礙物，當(dāng)找到障礙物時(shí)將其框出，計(jì)算出障礙物像素大小，并根據(jù)參考距離的像素量計(jì)算出小車(chē)與障礙物之間的距離；然后，對(duì)紅綠燈顏色閾值進(jìn)行設(shè)定，讀取視頻幀判斷圖像內(nèi)是否出現(xiàn)紅綠燈，若圖像內(nèi)有紅綠燈，則用矩形框?qū)⑵淇虺?，并根?jù)同樣的圖像原理計(jì)算出小車(chē)與紅綠燈之間的距離；最后，根據(jù)獲得的紅綠燈與障礙物的信息進(jìn)行判斷，若識(shí)別到紅燈或障礙物，并且紅燈或障礙物與小車(chē)之間的距離小于安全距離，則通過(guò)串口向主控制器發(fā)送控制信號(hào)，控制小車(chē)停下來(lái)，若識(shí)別到綠燈，則通過(guò)串口向主控制器發(fā)送對(duì)應(yīng)的命令，控制小車(chē)?yán)^續(xù)前行。

STM32主控在其中起到收集2個(gè)OpenMV識(shí)別信號(hào)的功能，通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)三者之間的通信，再由主控提取接收數(shù)據(jù)幀中的有效數(shù)據(jù)。主控通過(guò)有效數(shù)據(jù)的特定字節(jié)數(shù)據(jù)去控制舵機(jī)方向角度，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的功能。

2 系統(tǒng)測(cè)試

圖6為小車(chē)通過(guò)廣角攝像頭循跡模擬街景中的黃線。當(dāng)檢測(cè)到小車(chē)主視野偏離軌道黃線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使軌道黃線回歸小車(chē)主視野；當(dāng)軌道黃線偏向小車(chē)主視野左側(cè)時(shí)，舵機(jī)左偏；當(dāng)軌道黃線偏向小車(chē)主視野右側(cè)時(shí)，舵機(jī)右偏。通過(guò)這種舵機(jī)方向調(diào)整策略，可以使小車(chē)對(duì)軌跡偏離做出調(diào)整，不論是直線行駛還是彎道行駛，始終都能保持在規(guī)劃的航跡中。

圖7為小車(chē)通過(guò)長(zhǎng)焦攝像頭識(shí)別道路中的紅綠燈，目前識(shí)別到紅燈，返回距離36 cm左右，小車(chē)處于停止?fàn)顟B(tài)。借助OpenMV的視覺(jué)能力，系統(tǒng)賦予小車(chē)識(shí)別紅綠燈交通信號(hào)的能力，小車(chē)與真實(shí)道路汽車(chē)一樣，當(dāng)識(shí)別到紅燈且距離紅燈一定距離時(shí)，小車(chē)停止，進(jìn)入等待；當(dāng)小車(chē)識(shí)別到綠燈時(shí)，小車(chē)啟動(dòng)，繼續(xù)前進(jìn)。

圖8為小車(chē)通過(guò)長(zhǎng)焦攝像頭識(shí)別到障礙球，障礙球距離小車(chē)30 cm時(shí)，小車(chē)處于停止?fàn)顟B(tài)。系統(tǒng)選擇小球用于模擬真實(shí)道路中的障礙物，當(dāng)識(shí)別到該障礙物且距離障礙物較近時(shí)，為防止小車(chē)與障礙物相撞而損壞小車(chē)，系統(tǒng)停止信號(hào)觸發(fā)。

3 結(jié)論

交通系統(tǒng)正朝著車(chē)輛越來(lái)越多、交通網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜的方向發(fā)展，未來(lái)交通一定是智能化、多學(xué)科交叉的。本研究選用12 cm×6.5 cm車(chē)模，使用OpenMV和STM32設(shè)計(jì)制作了通過(guò)視覺(jué)功能識(shí)別交通信號(hào)并做出準(zhǔn)確響應(yīng)的智能小車(chē)，搭建了包括道路、交通信號(hào)、尺寸1.2 m×1.2 m的模擬環(huán)境，兩者組成智能交通裝備。小車(chē)設(shè)計(jì)中使用自主設(shè)計(jì)的、兼具電壓變換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主控電路板，使用購(gòu)入的OpenMV視頻模塊。其中，OpenMV視頻模塊用于采集模擬環(huán)境中的障礙物及道路信息，利用模塊的像素處理能力，將獲取的道路信息計(jì)算得到控制字節(jié)數(shù)據(jù)；小車(chē)主控電路板起到輸入輸出電壓穩(wěn)壓，數(shù)據(jù)接收的功能，接收OpenMV視頻模塊發(fā)送的控制字節(jié)后，作用于電機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速及電機(jī)工作狀態(tài)，構(gòu)成智能小車(chē)控制閉環(huán)，以實(shí)現(xiàn)小車(chē)在模擬環(huán)境中的無(wú)人駕駛。本系統(tǒng)將真實(shí)道路中的交通信號(hào)、障礙物等因素考慮到模擬道路中，設(shè)計(jì)制作了一套能識(shí)別道路信息并作出正確反應(yīng)的小型、低成本智能小車(chē)，為智能交通系統(tǒng)研究的小型化提供了一種思路。