基于圖像傳感器的智能循跡小車研究與實現

薄曉寧

摘 要：隨著經濟的快速發展，車輛的數量大幅提升，而交通事故發生的頻率也隨之增加，為降低交通事故發生的概率，保證人民群眾的生命安全，智能化交通系統設計思路出現并引起廣泛關注，而以圖像傳感器為基礎的智能循跡小車是智能化交通系統設計的重要方面。在此背景下，本文針對基于圖像傳感器的智能循跡小車研究與實現問題展開研究，為智能交通系統的設計工作提供參考。

關鍵詞：圖像傳感器；智能循跡小車；研究與實現

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.111

0 前言

循跡即小車在白色地板上形式的過程中，可以通過紅外探測方法，在感知黑色和白色地板對光線反射系數差異的基礎上，自動、智能的在黑色線路中行駛的技術，但由于在現實環境中，白色地板和黑色線路的反射光線會受到多方面因素的影響，紅外探測的難度大幅提升，所以要將對環境判斷更加準確的圖像傳感器應用于智能循跡小車中。

1 基于圖像傳感器的智能循跡小車實現的基本原理分析

由于圖像傳感器的分辨率相比傳統紅外探測方法更加理想，所以以圖像傳感器為基礎進行智能循跡小車設計，可以更理想的保證循跡運行效果。在圖像傳感器應用的過程中，智能小車一方面通過紅外光電管和攝像頭對前方的道路顏色進行采樣，結合采樣數據識別具體的路徑，在此過程中為使檢測精度達到預期效果，光電管的安裝位置與地面之間的距離應得到較嚴格的控制，但兩者間的距離縮減或使高速運行的智能小車過彎能力下降，此時利用攝像頭在前瞻距離方面的優勢可以彌補光電管的缺陷，完成過彎、抄近道等智能操作[1]。另外，面陣式布局的攝像頭在圖像采集的過程中所獲取的數據點多達上千，使智能小車判斷車道的依據更加豐富，進一步提升了小車運行的安全性。但由于攝像頭數據處理難度大，而且圖像采集效果受道路環境的影響非常大，所以在光電管和攝像頭結合應用的過程中，仍存在圖像處理等問題。

為解決上述問題，在基于圖像傳感器的智能循跡小車設計的過程中，另一方面要對圖像處理功能進行優化，考慮到大量數據在存儲過程中出現的冗余會浪費一定的存儲空間，提升微處理器的處理任務，所以在處理的過程中應先對采集的數據進行壓縮，在減少存儲資源利用量的同時防止非有效信息對采集信息的干擾[2]。另外，考慮到循跡的本質是按照目標引導線運行，所以在圖像處理的過程中，重點工作是在濾除雜點的基礎上，識別黑色軌道，并在圖像中標注除具體軌道的位置，為智能小車運行提供依據。

通過以上圖像采集和處理技術，可以實現智能小車按軌跡安全、快速、靈活的運行，這也是以圖像傳感器為基礎的智能軌跡小車實現的基本原理。

2 基于圖像傳感器的智能循跡小車研究

2.1 基于圖像傳感器的智能循跡小車硬件

基于圖像傳感器的智能循跡小車硬件主要包括以下部分：首先承擔接收賽道信息、校車運行速度等信息，并對信息進行處理，確定小車控制具體方案，并通過舵機和直流電機對小車進行轉向、轉臺調整控制的核心控制模塊。其次，由轉向舵機、電機驅動和圖像采集電路等子模塊構成的電源管理模塊，此模塊的硬件設備性能直接關系到智能小車運行的持久性。再次，實現對智能小車運行狀態進行直接調整的電機驅動模塊，在智能小車運行的過程中，微控制器是控制信號發出的主要結構，但實際中大部分微控制器的工作電壓并不能對大功率負載實現驅動，所以通常在電機和控制器之間設計驅動電路，保證單片機功能的實現[3]。然后，對智能小車行車速度進行調節，保證小車在直道和彎道中均處于最佳大運行狀態的車速檢測模塊，目前，主要應用霍爾傳感器、光電傳感器和光電編碼器實現，在具體選擇的過程中，結合具體傳感器的特點進行靈活的選擇。另外，直接實現舵機轉向的舵機轉向模塊，筆者認為將MC9S12XS128中的PWM2和PWM3級聯基礎上利用PWM2進行脈沖調控信號的輸出，可以進一步提升智能小車舵機的反應速度。除此之外，由數字圖像傳感器對小車前路徑信息進行采集并利用單片機對采集數據進行信息挖掘，引導小車進行狀態調整和路徑識別的圖像采集模塊，現階段主要應用的數字圖像傳感器和單片機型號分別是OV7620和S12，在具體應用中可結合實際情況進行更換。

2.2 基于圖像傳感器的智能循跡小車軟件

現階段應用的軟件設計方案主要是兩種，一種是通過中斷處理函數采集道路圖像數據，并在小車起跑線檢測過程中，通過軟件延時，判斷行中斷是否到來，在確定到來后采集現場該行圖像數據，在判斷本場數據采集完畢后進行圖像處理，并結合處理結果進行舵機轉向控制和電極驅動控制。另一種軟件方案是在開始運行后，系統變量和各功能模塊進入初始化狀態，然后判斷定時時間是否來到，在獲得肯定信息后，開始采集該廠圖像，進行舵機轉向控制和電極驅動控制，并結合是否檢測到起跑線的信息反饋，在檢測到后判斷是否第二次檢測到，在肯定后結束，在否定后重新進行初始化后的判定?，F階段第一種軟件設計方案應用相對更為廣泛，在采用CMOS數字圖像傳感器進行智能小車循跡設計時，通常將第一種軟件設計方案的系統軟件設計整體構架表現為，開始后，先進行系統初始化、工作模式識別，如果判斷為測試模式，則啟動傳感器、電機、舵機等結構，如果判斷為比賽模式，則在對方向信號和速度信號采集的基礎上進行穩態判斷，此時要分別進行方向和速度的控制，前者主要通過控制和改進算法后舵機控制實現，后者是在速度調節后電機控制實現，具體的設計需要結合具體采用的圖像傳感器類型進行調整。

2.3 賽道圖像的處理系統

考慮到USB2.0視頻采集盒可以直接完成對音頻和視頻的高質量采集，而且安裝過程簡單，對使用環境的依賴性較低，所以在基于圖像傳感器的智能循跡小車中應用較為廣泛，通常將其采集到的圖像信息通過視頻采集卡向上位機傳輸，為操作者調節采集棒的具體參數提供參考，在調試的過程中，人們現階段主要應用以VB為基礎的上位機串口調試軟件進行。在圖像采集的過程中，如果應用OV7620數字攝像頭，可應用的視頻信號達到288行，但中所周知，并不是所有的視頻信號在智能小車軌跡運行的過程中均需要，特別是每場前22行消隱信號，如果盲目的采集只會造成存儲空間的浪費和計算效率的降低，使單片機的負擔加大，所以在圖像采集的過程中應盡可能的對其余的266行視頻信號進行采集，保證核心控制模塊的處理效率。在圖像采集后，利用S12系列單片機將采集到的圖像

數據完整準確的傳輸至pc機，利用準備的基于VB的上位機串口調試軟件，對圖像數據二維數組進行處理，使其通過灰度圖的形式直接展現。

在以上圖像處理操作后，智能小車可以對所處賽場內的軌道信息準確的掌握和判別，操作人員也可以對小車進行精準的控制，但需要注意的是智能小車在不同的運動狀態下，所需要的圖像信息存在差異，所以在智能小車循跡運行的過程中，操作人員應有意識的對攝像頭的安裝位置和調節趨勢進行改變，盡可能達到“看的最遠、看的最清晰”。

另外，在賽道圖像采集和傳輸的基礎上，賽道圖像數據的分析也至關重要，通常情況下，基于圖像傳感器的智能小車所應用的攝像頭圖像采集系統由圖像采集系統和圖像數據處理系統共同構成，在數據處理系統運行的過程中，目前以圖像分割方法應用最為廣泛。在設計的過程中，由于智能小車的賽道是在白色板面上按照黑色軌跡運行，而且比賽環境的噪音較低，所以通常應用全局閾值法實現閾值分割，在確定具體閾值時，通常選取幾個較常用的閾值，然后對其進行對比，確定最合適的實現對賽道圖像的處理分析。

3 結論

通過上述分析可以發現，現階段人們已經認識到車輛具有智能循跡性能，對減少交通事故發生概率的有效性，并在實踐中有意識的結合循跡技術的要求和圖像傳感器的原理，進行以圖像傳感器為基礎的智能循跡小車的設計，這是我國車輛智能化設計水平提升的具體體現，對智能交通系統建設具有積極作用。

參考文獻：

[1]余熾業，宋躍，雷瑞庭.基于STC12C5A60S2的智能循跡小車[J].實驗室研究與探索，2014（11）：46-49+121.

[2]任濤，趙思佳，程瑞，呂云鵬，張鑫月.無人機與智能車協同導航系統的設計[J].沈陽大學學報（自然科學版），2015（05）：385-389.

[3]莫太平，楊宏光，劉冬梅.面向多路線的智能循跡小車的設計與實現[J].自動化與儀表，2014（04）：6-9.