李成勇， 譚寒鐘， 王 莎， 胡晶晶

(重慶工程學(xué)院 電子信息學(xué)院，重慶 400056)

1 引 言

近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步，無人控制技術(shù)逐步成熟，無人控制的智能小車自動(dòng)行駛成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。隨著人工智能和自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展,各種高科技以及前沿技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能小車領(lǐng)域,使智能小車越來越多樣化[2]。無人駕駛汽車將物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等頂尖新科技與傳統(tǒng)汽車技術(shù)相結(jié)合，汽車行業(yè)正在進(jìn)行全新的改革，現(xiàn)在還處于嘗試階段，并沒有建立規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、完整的理論知識(shí)體系，因此自動(dòng)駕駛技術(shù)探索之路還在進(jìn)行中。自動(dòng)駕駛技術(shù)是將相關(guān)車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等結(jié)合，旨在讓人解放雙手，享受生活。從技術(shù)方面來講，自動(dòng)駕駛汽車可以分為兩大發(fā)展方向：(1)駕駛輔助系統(tǒng)；(2)無人駕駛系統(tǒng)。其中，無人駕駛系統(tǒng)是主要研究方向，安全輔助駕駛是智能交通的重要研究方向。近20多年來，安全輔助駕駛是無人駕駛系統(tǒng)的研究創(chuàng)新方向之一，它主要由控制器、傳感器、顯示器、攝像頭等元器件制造而成。在模擬情景下，小車行駛在路上，攝像頭根據(jù)路況實(shí)時(shí)采集、更新行駛過程中車體與車道標(biāo)識(shí)線的距離，通過一系列處理后將信息傳遞給單片機(jī)、傳感器，若此時(shí)行駛路徑發(fā)生偏移，便能在0.5 s的時(shí)間內(nèi)由控制器發(fā)出警報(bào)，提前警示駕駛員，為駕駛員預(yù)留更多的反應(yīng)時(shí)間與空間。安全輔助駕駛的研究方向多基于視覺攝像頭，但是無論從國(guó)外研究現(xiàn)狀還是國(guó)內(nèi)研究技術(shù)水平來看，通過視覺方式實(shí)現(xiàn)車道偏移預(yù)警功能，在很大程度上受當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境影響和光照突變的影響。

本文設(shè)計(jì)一種采用OpenMV作為主控的基于機(jī)器視覺的循跡避障智能小車系統(tǒng)，能夠從標(biāo)記的指定位置出發(fā)，迅速找尋規(guī)定場(chǎng)內(nèi)隨機(jī)點(diǎn)亮的信號(hào)表示燈。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)循跡，找尋規(guī)定場(chǎng)內(nèi)隨機(jī)點(diǎn)亮的信號(hào)燈，遇到障礙物時(shí)可自動(dòng)避障。

2 系統(tǒng)方案的選擇與描述

2.1 速度控制算法設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)智能小車的速度控制算法有兩種，分別為PID(比例-積分-微分控制器)控制算法與比例控制算法[3]。其中比例算法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，算法中的比例系數(shù)容易求解及操作，設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單明了。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，信號(hào)表示燈的個(gè)數(shù)不定，位置布局不固定，比較靈活，并且隨機(jī)點(diǎn)亮信號(hào)燈容易導(dǎo)致比例算法中的比例系數(shù)很難調(diào)整，易造成智能小車擺動(dòng)幅度大，平衡性差，造成智能小車翻車的概率大幅增加。PID算法可以明顯改善上述缺點(diǎn)，使用積分與微分控制器的調(diào)節(jié)，使其離散值保持在一定區(qū)間內(nèi)。因此，比例系數(shù)設(shè)置更為容易[4]。

本設(shè)計(jì)中的速度控制采用PID算法，可以實(shí)現(xiàn)智能小車有效靈活地加、減速。

2.2 障礙物識(shí)別算法設(shè)計(jì)

智能小車在行駛過程中可能會(huì)不定期地遇見障礙物，通過設(shè)計(jì)障礙物識(shí)別算法辨別障礙物，可使智能小車曲線行駛避開障礙物。在局部特征點(diǎn)檢測(cè)快速發(fā)展階段，人們對(duì)于特征的認(rèn)識(shí)也越來越深入，近幾年許多學(xué)者提出的特征點(diǎn)檢測(cè)算法及其改進(jìn)算法也愈來愈多，在眾多的算法中涌現(xiàn)出眾多佼佼者。在本系統(tǒng)中，利用FAST(Features from Accelerated Segment Test)算法[5-6]在灰度圖下對(duì)障礙物進(jìn)行特征提取，然后進(jìn)行障礙物識(shí)別。FAST算法在某像素與其周圍領(lǐng)域內(nèi)足夠多的像素點(diǎn)相差較大，則該像素可能是角點(diǎn)，通過不斷地比較進(jìn)行特征點(diǎn)檢測(cè)。同時(shí)，在障礙物識(shí)別中加入模板匹配(NCC算法)[7-10]，進(jìn)一步提高識(shí)別障礙物的精確度，雙重算法的使用能夠達(dá)到高精度、高效率識(shí)別的目的。

2.3 障礙物測(cè)距算法設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)障礙物測(cè)距的方法較多，有單目視覺障礙物測(cè)距[11]、激光雷達(dá)障礙物測(cè)距[12]、激光測(cè)距[13]等方法。其中激光雷達(dá)障礙物測(cè)距方式價(jià)格較高，智能小車載重增大，對(duì)于本系統(tǒng)來說不實(shí)用，而激光測(cè)距方式發(fā)出的光線會(huì)對(duì)OpenMV識(shí)別造成偏差，智能小車在行駛過程中受到影響。單目視覺測(cè)距算法可以很好地彌補(bǔ)上述方法的不足，單目測(cè)距根據(jù)圖像攝取模塊焦距、圖像攝取模塊離地面高度以及障礙物底部在相平面上的位置，通過光學(xué)相似三角計(jì)算獲得障礙物距離，可以很好地完成本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要求，在智能小車負(fù)重未增加的情況下，小車行駛效率進(jìn)一步提高。

2.4 信號(hào)燈紅外識(shí)別算法設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈識(shí)別采用顏色追蹤算法，該算法可以準(zhǔn)確識(shí)別到點(diǎn)亮的信號(hào)燈。顏色追蹤算法信息全面，對(duì)全幅圖像、所有的顏色均會(huì)進(jìn)行搜索，搜索目標(biāo)顏色的精確度會(huì)進(jìn)一步提高。其中由查找X、Y上最小寬度的像素方式，同時(shí)設(shè)置面積閾值，如果色塊面積小于閾值設(shè)定值則會(huì)被過濾掉，大于等于設(shè)定的面積閾值則會(huì)保留。所以，通過設(shè)置點(diǎn)亮?xí)r的顏色閾值與面積閾值則可對(duì)其追蹤。

3 理論分析與設(shè)計(jì)

3.1 速度控制算法的理論分析

智能小車行駛過程中，本系統(tǒng)中的速度控制可由PID算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。PID控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 PID控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of PID control system

在該算法中，r(t)為輸入,y(t)為實(shí)測(cè)值,e(t)為偏差信號(hào),其中關(guān)系如式(1)所示：

e(t)=r(t)-y(t)

.

(1)

輸出為一種線性組合規(guī)律，該規(guī)律由偏差信號(hào)的比例、積分、微分決定，具體由式(2)表示：

(2)

式中：Kp是比例系數(shù)；Ti是比例積分常數(shù)；Td是微分時(shí)間常數(shù)。

3.2 障礙物識(shí)別算法的理論分析

本系統(tǒng)中障礙物識(shí)別算法的核心算法為FAST算法和模板匹配算法(NCC算法)。其中，F(xiàn)AST算法速度快，在攝入的圖像以像素p為中心半徑為r，同時(shí)檢測(cè)其像素點(diǎn)數(shù)。設(shè)置p點(diǎn)為候選點(diǎn)，同時(shí)定義閾值，這些像素點(diǎn)與像素p比較，若絕對(duì)值均小于閾值，則p點(diǎn)不是特征點(diǎn)；若超過閾值則進(jìn)行下一步考察。以此類推計(jì)算出超過閾值的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，若至少有半數(shù)像素點(diǎn)超過設(shè)置閾值，則是特征點(diǎn)；否則，直接過濾。

對(duì)圖像進(jìn)行非極大值抑制，計(jì)算特征點(diǎn)處的FAST得分值(score值，也即s值)，判斷以特征點(diǎn)p為中心的一個(gè)鄰域內(nèi)，如果有多個(gè)特征點(diǎn)，判斷每個(gè)特征點(diǎn)的s值，若p是鄰域所有特征點(diǎn)中響應(yīng)值最大的則保留；否則抑制。

如果鄰域內(nèi)只有一個(gè)特征點(diǎn)，保留并對(duì)其得分進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如式(3)所示：

(3)

式中，V表示所得到的分?jǐn)?shù)，t表示閾值。

NCC算法是一種歸一化相關(guān)匹配法，是基于圖像灰度信息的匹配方法。

NCC算法計(jì)算原理公式如式(4)所示。

(4)

可根據(jù)積分圖像提前計(jì)算出任意窗口大小和與平方和，式(4)中uf表示帶檢測(cè)圖像，ur表示參考模板圖像的窗口均值。在積分圖像建立起窗口下的待檢測(cè)圖像與模板圖像的和平方，以及交叉乘積5個(gè)積分圖索引后就完成了預(yù)計(jì)生成。通過索引表查詢計(jì)算結(jié)果，NCC就實(shí)現(xiàn)了線性時(shí)間的復(fù)雜度計(jì)算。

3.3 障礙物測(cè)距算法的理論分析

小車在運(yùn)行過程中，障礙物測(cè)距可通過單目視覺測(cè)距算法測(cè)量。單目視覺測(cè)距算法原理圖如圖2所示。

圖2 單目視覺測(cè)距原理框圖Fig.2 Schematic diagram of monocular visual distance measurement

單目測(cè)距算法中，Hm、Rm為障礙物真實(shí)值，Apix、Bpix為攝像頭中的圖像，其關(guān)系可推演得出。在左邊的攝像頭里的幾何關(guān)系可得出式(5)與式(6)：

(5)

(6)

由公式(5)和(6)可推理出公式(7)：

(7)

原理框圖中真實(shí)環(huán)境中的集合關(guān)系，可得出式(8)：

(8)

將公式(8)代入公式(7)，可得出結(jié)論公式(9)：

(9)

3.4 信號(hào)燈紅外識(shí)別算法分析

小車在追蹤點(diǎn)亮的信號(hào)表示燈，采用顏色追蹤算法。點(diǎn)亮的信號(hào)燈與未點(diǎn)亮的信號(hào)燈在顏色上存在差異，本系統(tǒng)通過該點(diǎn)不同而設(shè)計(jì)顏色追蹤算法。

顏色追蹤算法搜集信息全面，精度高，在施行過程中出錯(cuò)的概率大幅降低。該算法利用機(jī)器視覺中需要識(shí)別的顏色進(jìn)行追蹤，在RGB下對(duì)點(diǎn)亮的信號(hào)燈進(jìn)行閾值設(shè)定，設(shè)定需要追蹤物體的顏色后，則該顏色在此種環(huán)境狀態(tài)下能夠在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)識(shí)別。不僅如此，還通過設(shè)計(jì)面積閾值，對(duì)顏色面積進(jìn)行判斷識(shí)別，其中由查找X、Y上最小寬度的像素方式，同時(shí)設(shè)置面積閾值，如果色塊面積小于閾值設(shè)定值則會(huì)被過濾掉，大于等于設(shè)定的面積閾值則會(huì)保留，這樣可排除外界因素干擾。當(dāng)兩者同時(shí)識(shí)別后驅(qū)動(dòng)小車對(duì)目標(biāo)進(jìn)行追蹤。

4 電路與程序設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

首先通過OpenMV攝像頭系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集，然后將圖像信息數(shù)據(jù)送傳至擁有STM32F427的OpenMV系統(tǒng)進(jìn)行顏色追蹤、模板匹配、測(cè)距、特征點(diǎn)檢測(cè)等處理，然后驅(qū)動(dòng)智能小車的電機(jī)。循跡避障智能小車系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 循跡避障智能小車系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of tracking obstacle avoidance intelligent vehicle system

OpenMV攝像頭可以實(shí)現(xiàn)物體在動(dòng)態(tài)特征下無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，是光測(cè)量的一種有效應(yīng)用。OpenMV攝像頭電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 OpenMV攝像頭電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Circuit structure of OpenMV camera

電源管理模塊選擇有3種方案：鋰電池、鎳鎘電池、鎳氫電池?？刂葡到y(tǒng)各個(gè)部件都需要合適且比較穩(wěn)定的電壓，電源電壓大小和能量要充足，才能保證系統(tǒng)在行駛時(shí)的穩(wěn)定性。因此選擇12 V的鋰電池，電源管理圖如圖5所示。

圖5 電源管理圖Fig.5 Power management diagram

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇12 V的ASLONG-JGB37微型直流減速電機(jī)。根據(jù)電池供電的不同，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不同，而該電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)。帶減速的電機(jī)加上了減速箱，降低了轉(zhuǎn)速，增強(qiáng)了扭力。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，攝像頭系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行圖像采集，如果采集到圖像，攝像頭系統(tǒng)將采集到的圖像數(shù)據(jù)送傳至OpenMV進(jìn)行處理。若檢測(cè)到點(diǎn)亮的信號(hào)表示燈，調(diào)整轉(zhuǎn)角，系統(tǒng)會(huì)對(duì)點(diǎn)亮后的信號(hào)表示燈進(jìn)行顏色追蹤。若在追蹤過程中檢測(cè)到障礙物，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)障礙物進(jìn)行測(cè)距，同時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)角，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使小車曲線行駛，避免觸碰障礙物；若未檢測(cè)到障礙物，驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)，此時(shí)小車將會(huì)直線行駛。通過控制PWM口的信號(hào)輸出可以實(shí)現(xiàn)輪速的控制, 主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

5.1 測(cè)試方案

當(dāng)檢測(cè)到點(diǎn)亮的信號(hào)表示燈時(shí)，左右車輪高速轉(zhuǎn)動(dòng), 小車直行，完成滅燈任務(wù)；當(dāng)檢測(cè)到障礙物坐標(biāo)出現(xiàn)在圖像中的左邊時(shí)，智能小車左輪高速正轉(zhuǎn), 右輪低速正轉(zhuǎn), 實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)，避開障礙物，然后通過檢測(cè)點(diǎn)亮的信號(hào)表示燈繼續(xù)追蹤，完成滅燈任務(wù); 當(dāng)檢測(cè)到障礙物坐標(biāo)出現(xiàn)在圖像中的右邊時(shí)，右輪高速正轉(zhuǎn), 左輪低速正轉(zhuǎn), 實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)，避開障礙物，然后通過檢測(cè)點(diǎn)亮的信號(hào)表示燈繼續(xù)追蹤，完成滅燈任務(wù)。如果未檢測(cè)到點(diǎn)亮的信號(hào)燈，智能小車通過右輪高速正轉(zhuǎn), 左輪低速正轉(zhuǎn), 實(shí)現(xiàn)差速控制左轉(zhuǎn)尋找場(chǎng)內(nèi)隨機(jī)點(diǎn)亮的信號(hào)燈。

5.2 測(cè)試結(jié)果及分析

按照上述設(shè)計(jì)方案，完成的循跡避障智能小車控制系統(tǒng)模型，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)需要從指定位置出發(fā)，智能小車快速找尋規(guī)定場(chǎng)內(nèi)的隨機(jī)點(diǎn)亮的信號(hào)表示燈，當(dāng)智能小車進(jìn)入到點(diǎn)亮的信號(hào)表示燈的規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，信號(hào)燈會(huì)自動(dòng)熄滅。此時(shí)，下一處的信號(hào)燈將會(huì)隨機(jī)點(diǎn)亮，智能小車再一次需要完成滅燈，每個(gè)燈被滅后可能再次被點(diǎn)亮。如此，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成滅燈任務(wù)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)滅燈個(gè)數(shù)。循跡避障智能小車測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程如圖7所示。 循跡避障智能小車測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7 循跡避障智能小車滅燈實(shí)驗(yàn)圖Fig.7 Experiment diagram of tracking obstacle avoidance intelligent vehicle lamp extinction

表1 小車滅燈測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of car lights out

根據(jù)不同距離 OpenMV攝像頭返回的數(shù)據(jù)，計(jì)算出當(dāng)前信標(biāo)燈對(duì)應(yīng)小車的坐標(biāo)值， OpenMV 攝像頭測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 OpenMV攝像頭測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of OpenMV camera

根據(jù)表1、表2測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：在300 s時(shí)間內(nèi)，平均滅燈個(gè)數(shù)超過50個(gè)，說明本系統(tǒng)具有可行性，小車能夠精確識(shí)別點(diǎn)亮的信號(hào)表示燈；通過 OpenMV攝像頭得到的左中右坐標(biāo)值，誤差值在1 cm范圍內(nèi)，說明系統(tǒng)可準(zhǔn)確通過攝像頭數(shù)據(jù)識(shí)別障礙物并進(jìn)行測(cè)距；小車能夠進(jìn)行左中右坐標(biāo)值位置測(cè)量，說明系統(tǒng)能夠在追蹤及滅掉點(diǎn)亮的信號(hào)燈過程中避開障礙物；小車在2，4，6 m位置處得到坐標(biāo)值，說明系統(tǒng)能準(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)，完成滅燈。本系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 論

本文提出的基于OpenMV智能“尋的”小車控制系統(tǒng)采用OpenMV攝像頭系統(tǒng)完成圖像數(shù)據(jù)的采集，通過將圖像數(shù)據(jù)送傳至OpenMV系統(tǒng)進(jìn)行處理，完成對(duì)點(diǎn)亮的信號(hào)表示燈的追蹤，達(dá)到了避開障礙物的設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)采用FAST特征點(diǎn)檢測(cè)、NCC模板匹配、PID控制、單目視覺測(cè)距等算法，處理速度更快，精度高，數(shù)據(jù)精確，負(fù)載輕，小車實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)差值小，幾乎可以忽略，系統(tǒng)穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。