李承澤

（西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710119）

0 引言

基于GPS 的樹(shù)莓派智能小車(chē)可通過(guò)狀態(tài)分析系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)規(guī)劃路線和識(shí)別交通信號(hào)，從而保證車(chē)輛的安全運(yùn)行［1-5］。在無(wú)人駕駛領(lǐng)域，通過(guò)智能定位和路況分析系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能規(guī)劃路線和識(shí)別交通信號(hào)，可確保無(wú)人駕駛車(chē)輛的安全運(yùn)行。此外，智能小車(chē)進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所，通過(guò)Opencv圖像識(shí)別模塊能及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，為救援提供相應(yīng)的信息。因此，智能避障設(shè)計(jì)具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

除了要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛外，在行駛過(guò)程中，無(wú)人駕駛的智能汽車(chē)還要處理大量信息，如當(dāng)前路況、現(xiàn)有位置等，從而導(dǎo)致應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)困難重重。

1.1 GPS定位和終端顯示問(wèn)題

GPS 定位模塊用于對(duì)汽車(chē)進(jìn)行準(zhǔn)確定位汽車(chē)，終端顯示可用于顯示位置信息。如何將汽車(chē)的位置信息上傳，并反饋到相應(yīng)的終端平臺(tái)顯示器上，成為要解決的技術(shù)難點(diǎn)。

1.2 障礙物識(shí)別和路線行進(jìn)問(wèn)題

由于GPS 的定位精度較差，無(wú)法實(shí)時(shí)判斷障礙物，導(dǎo)致移動(dòng)的汽車(chē)無(wú)法正確讀取障礙物位置，并避開(kāi)障礙物。如何提高汽車(chē)對(duì)道路和障礙物識(shí)別的準(zhǔn)確性（如對(duì)交通燈和人體的識(shí)別），成為一個(gè)要攻克的技術(shù)難題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樹(shù)莓派將采集到視頻和超聲波避障信息上傳到多功能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)上傳的信息進(jìn)行處理，并自動(dòng)生成指令，由手機(jī)端完成對(duì)小車(chē)行駛過(guò)程的監(jiān)控和最終控制，由藍(lán)牙模塊完成小車(chē)和手機(jī)端的通信。多功能控制系統(tǒng)是多功能小車(chē)的指揮協(xié)調(diào)中樞，小車(chē)在行駛過(guò)程中，超聲波避障模塊、OpenCv圖像識(shí)別模塊和GPS 模塊將采集到的數(shù)據(jù)上傳給多功能控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，并將生成的指令交由車(chē)體驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行。

為確保無(wú)人駕駛汽車(chē)能準(zhǔn)確感知、規(guī)避障礙物，規(guī)定傳感器需要每1 s 傳輸一次數(shù)據(jù)。為減少由此帶來(lái)的系統(tǒng)繁忙或網(wǎng)絡(luò)擁塞，引入輪詢(xún)機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)均衡負(fù)載。相關(guān)的硬件用于處理數(shù)據(jù)，以導(dǎo)航技術(shù)選擇為參考來(lái)分析跟蹤路徑。

3 硬件設(shè)計(jì)

智能小車(chē)的硬件主要包括樹(shù)莓派板、藍(lán)牙模塊、攝像機(jī)、GPS 追蹤器、車(chē)體、直流電機(jī)（2 個(gè)）、舵機(jī)（2 個(gè)）等。其中，樹(shù)莓派板和GPS 追蹤器安裝在底盤(pán)中間，上、下兩個(gè)舵機(jī)垂直安裝在底盤(pán)的前方，安裝在上舵機(jī)上方的攝像頭能上下?lián)u擺，安裝在下舵機(jī)的攝像頭能左右搖擺。

對(duì)硬件系統(tǒng)按功能劃分，可分為核心、車(chē)體驅(qū)動(dòng)、信息采集及傳輸這3個(gè)子系統(tǒng)。

3.1 核心子系統(tǒng)

本研究采用樹(shù)莓派3B+Broadcom BCM2837B0，支持藍(lán)牙、WiFi、等通信方式。智能小車(chē)的核心子系統(tǒng)模塊如圖1所示。

圖1 智能小車(chē)核心子系統(tǒng)模塊

3.2 車(chē)體驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)小車(chē)的左右轉(zhuǎn)向、向前行駛、倒車(chē)等功能，系統(tǒng)采用L298N 模塊，該模塊擁有雙通道輸出（A、B），可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路電機(jī)的不同控制與操作［6］。為確保電機(jī)有足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)小車(chē)，使用兩個(gè)L298N 模塊，剩余的引腳用于連接其他傳感器。系統(tǒng)采用可進(jìn)行PWM調(diào)速的單12 V輸入模式對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

3.3 信息采集及傳輸子系統(tǒng)

為確保小車(chē)能按正常路線行駛，本研究采用超聲波避障技術(shù)、GPS 定位技術(shù)和攝像機(jī)圖像技術(shù)來(lái)采集路況信息和小車(chē)定位信息，并通過(guò)藍(lán)牙模塊來(lái)完成小車(chē)和手機(jī)端之間的信息和控制指令傳輸［7］。超聲波避障模塊如圖3 所示。選用Trig 和Echo 超聲波模塊，分別連接GPIO29和GPIO31，Trig模塊負(fù)責(zé)發(fā)射超聲波，Echo模塊負(fù)責(zé)接受超聲波。VCC接樹(shù)莓派5 V 接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的供電，GND 接樹(shù)莓派GND 接口，通過(guò)發(fā)射和接收的時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離。

圖3 超聲波避障模塊

4 軟件設(shè)計(jì)

多功能控制系統(tǒng)是智能多功能小車(chē)的核心，系統(tǒng)通過(guò)樹(shù)莓派及輪詢(xún)方式來(lái)快速集成處理超聲波避障模塊、GPS 定位器和攝像機(jī)等采集到的信息，并形成決策指令，小車(chē)驅(qū)動(dòng)模塊能快速響應(yīng)［8］。語(yǔ)音模塊用于提示小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)和當(dāng)前環(huán)境，藍(lán)牙模塊用來(lái)完成小車(chē)和手機(jī)間的通信。

按照多功能控制系統(tǒng)的整體功能，將多功能控制系統(tǒng)分GPS單元、黑線追蹤單元、終端單元。

4.1 GPS單元

GPS 單元是基于百度提供的開(kāi)發(fā)界面研發(fā)出的。首先，使用GPS模塊來(lái)獲取小車(chē)出發(fā)地和目的地的經(jīng)緯度坐標(biāo)。其次，調(diào)用百度地圖的行走查詢(xún)和出行距離來(lái)計(jì)算接口API，從而獲取路徑數(shù)據(jù)。再次，對(duì)所獲得的路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并捕獲鏈路軌跡點(diǎn)的多段路線。最后，規(guī)劃出整個(gè)路徑。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的準(zhǔn)確跟蹤，需要采用基于矢量差的跟蹤算法，將多段線集中的每個(gè)軌跡點(diǎn)作為一個(gè)跟蹤周期。在每個(gè)跟蹤周期內(nèi)，沿小車(chē)前進(jìn)的矢量方向，分別對(duì)小車(chē)當(dāng)前移動(dòng)方向和下一個(gè)目標(biāo)軌跡點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

4.2 黑線跟蹤單元

黑線跟蹤單元是集避障、道路規(guī)劃等功能為一體的大型綜合單元。將通過(guò)該單元的超聲波避障模塊、OpenCv 圖像識(shí)別模塊和GPS 獲取的數(shù)據(jù)上傳多功能控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，并自動(dòng)生成指令。

4.2.1 黑線跟蹤。由于軌道為黑色，其余部分為非黑色，本研究采用二值化技術(shù)進(jìn)行處理，通過(guò)二值化技術(shù)來(lái)區(qū)分軌道和背景。二值化處理是根據(jù)設(shè)定的閾值T，將圖像數(shù)據(jù)分為兩部分，即大于T的像素群和小于T的像素群，從而提取出目標(biāo)物體。簡(jiǎn)單的閾值分割是選擇一個(gè)全局閾值，將整個(gè)圖像分割成黑色或白色的二值圖像。如果灰度值大于閾值，則指定為255，否則指定為0；如果效果不好，則要調(diào)整c 型腐蝕膨脹度。常見(jiàn)的形態(tài)學(xué)處理法有腐蝕法和膨脹法。本研究采用腐蝕法，以結(jié)構(gòu)單元中的最小值為錨定值［9］，可通過(guò)腐蝕來(lái)去除二進(jìn)制圖像中閾值分割后出現(xiàn)的白噪聲。被腐蝕的結(jié)構(gòu)元素越大，目標(biāo)物體的面積就越小，黑線跟蹤單元效果如圖4所示。

圖4 黑線跟蹤單元效果

4.2.2 小車(chē)避障。為使小車(chē)在識(shí)別出障礙物后能做出準(zhǔn)確判斷，采用障礙物識(shí)別法對(duì)道路兩側(cè)連續(xù)使用超聲波檢測(cè)。在識(shí)別出障礙物后，用超聲波檢測(cè)小車(chē)與障礙物的距離，用配有OpenCV模塊的CSI攝像機(jī)對(duì)障礙物類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別。如果檢測(cè)到前方的障礙物為交通燈，在識(shí)別出交通燈的顏色后，根據(jù)交通規(guī)則采取行動(dòng)，紅綠燈識(shí)別過(guò)程如下。首先，初始化亮度設(shè)置的視頻路徑。其次，進(jìn)行幀處理，調(diào)整視頻亮度，分解YCrCb 的3 個(gè)組件，分解為紅化和綠化，并對(duì)這兩種顏色進(jìn)行特征提取。再次，進(jìn)行腐蝕擴(kuò)展處理，消除其他噪聲，提取交通信號(hào)信息。最后，給出識(shí)別結(jié)果。

4.3 終端單元

終端單元對(duì)小車(chē)行駛過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和最終控制。小車(chē)和手機(jī)端間的通信是通過(guò)藍(lán)牙模塊完成的，即樹(shù)莓派車(chē)和手機(jī)端通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行信息交互，手機(jī)向小車(chē)發(fā)送控制命令，同時(shí)定義和處理命令數(shù)據(jù)。

在安裝好多功能控制系統(tǒng)后，為按鈕控件綁定一個(gè)偵聽(tīng)器，當(dāng)按下按鍵后，就可通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端的接收模塊中［10］。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。首先，在Layout 文件中為控件設(shè)置一個(gè)ID，Java文件會(huì)根據(jù)其自動(dòng)生成一個(gè)ID地址。其次，啟動(dòng)多功能控制系統(tǒng)的監(jiān)控子程序。當(dāng)按下按鍵后，根據(jù)按鍵控制的ID 地址，監(jiān)控程序中的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)不斷跳轉(zhuǎn)，從而將不同數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)藍(lán)牙模塊。

多功能控制系統(tǒng)的Python子程序用來(lái)對(duì)藍(lán)牙模塊串口輸入的信息進(jìn)行分析，以抓取電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)控制汽車(chē)的目的。過(guò)程要初始化串口，包括設(shè)置微控制器每個(gè)端口的方向、校準(zhǔn)微控制器的振蕩頻率及初始化每個(gè)變量。該程序會(huì)定期從藍(lán)牙模塊的串口讀取數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，自動(dòng)生成指令。

5 系統(tǒng)調(diào)試

為測(cè)試多功能控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的功效，模擬當(dāng)小車(chē)前面有多個(gè)障礙物時(shí)，多功能控制系統(tǒng)通過(guò)指令來(lái)重新規(guī)劃并展示最優(yōu)路線。

5.1 障礙物安全距離測(cè)試

在小車(chē)前方放置不同的障礙物，測(cè)試不同情況下的安全躲避距離。小車(chē)在捕捉到圖像信息后，由于參數(shù)設(shè)置的問(wèn)題，可能導(dǎo)致小車(chē)無(wú)法躲避障礙物。通過(guò)多次調(diào)試，不斷修改參數(shù)值，使小車(chē)能準(zhǔn)確判斷出行人或障礙物，從而使多功能控制系統(tǒng)精準(zhǔn)計(jì)算出安全距離，并發(fā)出精準(zhǔn)的繞行指令。小車(chē)避障效果如圖5所示。多功能控制系統(tǒng)計(jì)算出的最小安全距離為15 cm，此處小車(chē)開(kāi)始執(zhí)行躲避指令。

圖5 小車(chē)避障效果

5.2 規(guī)劃路徑變化測(cè)試

使用百度API 來(lái)規(guī)劃初始行駛路徑，小車(chē)行駛時(shí)遇到障礙物，多功能控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)來(lái)自O(shè)penCv圖像識(shí)別模塊和超聲波測(cè)距模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并自動(dòng)生成繞行或改變行駛路徑的指令，此時(shí)GPS會(huì)重新規(guī)劃路徑。經(jīng)過(guò)測(cè)試證明，無(wú)論如何規(guī)劃路徑，小車(chē)都能準(zhǔn)確到達(dá)目的地。

6 結(jié)語(yǔ)

基于樹(shù)莓派和GPS 導(dǎo)航的智能避障小車(chē)設(shè)計(jì)是以自主開(kāi)發(fā)的多功能控制系統(tǒng)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樹(shù)莓派的功能擴(kuò)展。在多功能控制系統(tǒng)控制下，小車(chē)基于GPS導(dǎo)航能自動(dòng)準(zhǔn)確地感知和規(guī)避障礙物，并按規(guī)劃路徑行駛，能按時(shí)到達(dá)目的地。試驗(yàn)結(jié)果證明，基于樹(shù)莓派多功能控制系統(tǒng)是一款較成熟的應(yīng)用軟件，具有良好的商業(yè)應(yīng)用前景。