無人駕駛小車定點(diǎn)追蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

陳亮亮+劉玉瑩+詹春

摘 要：為了更好的解決無人車定點(diǎn)追蹤的問題，本文提出了一種基于OpenCL的圖像追蹤算法。特定目標(biāo)物的檢測和連續(xù)跟蹤技術(shù)是目前計算機(jī)視覺領(lǐng)域的前沿方向和熱點(diǎn)研究[1]。本設(shè)計是將OpenCV中的CamShift算法移植到DE1-SoC開發(fā)板的OpenCL平臺上。整個設(shè)計分為五個模塊：視頻模塊、音頻模塊、超聲波測距模塊、藍(lán)牙音箱驅(qū)動模塊和算法移植模塊。最終小車能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)追蹤固定目標(biāo)物，且在目標(biāo)物的正前方10cm處停下同時外接藍(lán)牙音箱響起樂曲。

關(guān)鍵詞：OpenCV；定點(diǎn)追蹤；OpenCL；計算機(jī)視覺

中圖分類號：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

特定目標(biāo)物的檢測和連續(xù)跟蹤技術(shù)是目前計算機(jī)視覺領(lǐng)域的前沿方向和熱點(diǎn)研究，因為其融合多學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)，在諸多行業(yè)廣泛使用，更因為因其背后蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和商機(jī)，引起諸多科研機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的關(guān)注。當(dāng)前很多的科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)都在該領(lǐng)域投入了大量精力進(jìn)行研究和探索，取得了豐碩成果[2]。本設(shè)計是將OpenCV中的CamShift算法移植到DE1-SoC開發(fā)板的OpenCL上，根據(jù)鼠標(biāo)框選區(qū)域的色度光譜來進(jìn)行固定目標(biāo)物的跟蹤。

本設(shè)計選擇了友晶科技提供的DE1-SoC開發(fā)板，這款開發(fā)板是Altera Cyclone V SoC的專用平臺[3]。隨著FPGA技術(shù)的高速發(fā)展，芯片規(guī)模不斷提升，帶來了更強(qiáng)的性能的同時，也實(shí)現(xiàn)了更低的功耗[4，5]。FPGA憑借其強(qiáng)大的并行信號處理能力，在應(yīng)對控制復(fù)雜度低、數(shù)據(jù)量大的運(yùn)算時具有較強(qiáng)的優(yōu)勢[6]。但是在復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)上，F(xiàn)PGA卻遠(yuǎn)沒有32位精簡指令集計算機(jī)（RISC）處理器靈活方便，所以在設(shè)計具有復(fù)雜算法和控制邏輯的系統(tǒng)時，往往需要RISC和FPGA結(jié)合使用[7]。這樣電路設(shè)計的難度也就相應(yīng)地增加。而Altera的Cyclone V SoC將RISC硬核處理器系統(tǒng)和FPGA集成到一起實(shí)現(xiàn)了功能的互補(bǔ)，大大減小了硬件電路復(fù)雜性和體積，同時也降低了功耗，提高了系統(tǒng)可靠性[8]。

DE1-SoC開發(fā)板提供了板載USB Blaster II JTAG在線調(diào)試功能、SD卡啟動、HPS享1GB DDR3內(nèi)存、FPGA享64MB SDRAM內(nèi)存、VGA高清顯示、ADC采樣、10/100/1000M以太網(wǎng)、USBx2接口、FPGA擴(kuò)展等豐富的擴(kuò)展接口和硬件資源。DE1-SoC開發(fā)板系統(tǒng)框圖如圖1所示[9]。

本設(shè)計實(shí)現(xiàn)的具體功能如下：

在小車車頭位置固定一個車載高清攝像頭，讀取車正前方可視角大約170°的圖像，與存在FPGA的SDRAM中的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，這里我們選取的基準(zhǔn)圖像為鼠標(biāo)在顯示屏上框選的480*480的白色區(qū)域。首先，攝像頭取得480*480的圖像存儲在SDRAM中，然后檢測圖像的中線位置上是否有白色區(qū)域。若是在中線位置沒有白色區(qū)域，則車頭左右擺動微小的角度來定位白色區(qū)域。若是中線位置有白色區(qū)域，發(fā)送一個控制信號給FPGA，驅(qū)動小車直行。若是白色區(qū)域在中線位置的左側(cè)，發(fā)送一個控制信號給FPGA，控制小車左轉(zhuǎn)。若是白色區(qū)域在中線位置的右側(cè)，發(fā)送一個控制信號給FPGA，控制小車右轉(zhuǎn)。為防止小車與白色固定目標(biāo)物相碰撞，我們應(yīng)用了HC-SR04超聲波模塊來控制小車與目標(biāo)物之間至少保持10cm的安全距離，當(dāng)距離到了10cm時超聲波模塊會返回一個控制信號給FPGA，這時小車停止運(yùn)動，同時啟動音頻模塊，響起音樂。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理（System realization principle）

整個系統(tǒng)分為五個模塊：視頻模塊、音頻模塊、超聲波測距模塊、藍(lán)牙音箱驅(qū)動模塊和圖像算法移植模塊。整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，音頻模塊、視頻模塊和超聲波測距模塊由FPGA部分控制，藍(lán)牙音箱驅(qū)動模塊和圖像算法移植模塊由ARM部分控制。下面將詳細(xì)分析各個子模塊的實(shí)現(xiàn)原理。

2.1 視頻模塊

在DE1-SoC開發(fā)板上提供了一塊視頻解碼芯片ADV7180，此塊解碼芯片是受I2C總線協(xié)議的控制[10]。視頻顯示原理如圖3所示。

首先通過TD_Detect檢測模塊檢測外部圖像，并選擇合適的視頻制式，如圖4所示，默認(rèn)視頻制式為NTSC。

其次將采集到的圖像經(jīng)過ITU_656_Decoder解碼生成YCbCr的圖像格式，如圖5所示。

接下來將解碼出來的YCbCr信號隔行寫入到SDRAM中，并且通過SDRAM隔行讀出來，如圖6所示。

最后通過下面三個模塊，將存儲在SDRAM中的YCbCr的信號先轉(zhuǎn)換為4：4：4的圖像格式，再轉(zhuǎn)換為RGB圖像格式，通過VGA接口顯示在屏幕上，如圖7所示。

2.2 音頻模塊

在DE1-SoC開發(fā)板上提供了一塊24位的音頻解碼芯片WM8731，此芯片支持麥克風(fēng)line-in和line-out。WM8731也受I2C總線協(xié)議控制[11]。音頻模塊實(shí)現(xiàn)原理如圖8所示。

其中，核心模塊為子模塊HIGH，是用來存放音頻文件的，我們存放的是《我和你》樂曲的音頻。

2.3 超聲波測距模塊

測距模塊是利用超聲波模塊HC-SR04，它有VCC、GND、Trig、Echo四個管腳，只要給Trig一個大于10μs的高電平，在Echo端口接收到的高電平時間就是此次測距的時間，其測距公式：s=t*340/2，我們可以設(shè)置其高電平的時間來設(shè)置其距離。超聲波測距模塊實(shí)現(xiàn)原理如圖9所示。

2.4 藍(lán)牙音箱驅(qū)動模塊

我們使用USB的外部擴(kuò)展，在DE1-SoC開發(fā)板上安裝藍(lán)牙音箱的發(fā)送端，然后在Linux系統(tǒng)上與我們的藍(lán)牙音響連接，從而實(shí)現(xiàn)音頻信號的放大。藍(lán)牙音箱驅(qū)動模塊軟件流程如圖10所示[12]。

2.5 圖像算法移植模塊

我們利用一個人臉掃描的算法原理來掃描攝像頭掃描到圖像的顏色，將OpenCV中的CamShift算法（連續(xù)自適應(yīng)的MeanShift算法）移植到DE1-SoC開發(fā)板上的OpenCL上，根據(jù)鼠標(biāo)框選區(qū)域的色度光譜來進(jìn)行攝像頭讀入的視頻目標(biāo)的追蹤，對白色目標(biāo)物進(jìn)行定位追蹤[11]。圖像算法移植模塊軟件流程如圖11所示[10]。

3 系統(tǒng)測試（System testing）

將五個子模塊整合在一起，構(gòu)成了一個完整的智能小車定點(diǎn)追蹤系統(tǒng)，整體聯(lián)調(diào)的效果圖如圖12和圖13所示。

4 結(jié)論（Conclusion）

（1）在DE1-SoC開發(fā)板上運(yùn)行Linux，我們首先需要設(shè)定串口終端，把開發(fā)板連接在電腦上，然后找到相應(yīng)的外接裝置。執(zhí)行putty.exe來選擇Serial來進(jìn)行串口通信，進(jìn)行保存后就可以關(guān)閉此窗口。接著是制作microSD card Image，下載好image file后使用win32DiskImager.exe來把Linux image刻錄到SD內(nèi)，在開發(fā)板上電后，打開putty.exe，當(dāng)系統(tǒng)boot起來后輸入root并按下enter就可以登入系統(tǒng)。

（2）在DE1-SoC開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)ARM/HPS到FPGA的通信。首先我們需要先搭建一個Qsys硬件系統(tǒng)；然后需要寫一個完成相應(yīng)功能的C語言代碼（主要是結(jié)合開發(fā)板完成地址的映射和寄存器配置及功能實(shí)現(xiàn)），我們主要是寫了一個可控制小車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，以及前進(jìn)后退的控制程序；其次是創(chuàng)建Makefile文件，制定編譯工程的一系列規(guī)則（可根據(jù)案例把文件名和地址改為自己的文件名和地址即可）；最后打開embedded文件中的Embedded_Command_Shell.bat，輸入cd切換路徑，然后輸入自己的文件位置，輸入make即可在原文件中生成一個空白文檔形式的可執(zhí)行文件。打開Putty.exe就可以，用u盤把生成的可執(zhí)行文件拷入優(yōu)盤，然后把開發(fā)板上電，輸入相應(yīng)的命令把此文件存入Linux路徑下的root即可。然后在Quartus中下載FPGA硬件sof文件，最后在串口終端輸入“./+生成的文件名即可”。我們主要用ARM控制FPGA的GPIO口。

（3）在DE1-SoC開發(fā)板上提供了一塊視頻解碼芯片ADV7180，此塊解碼芯片是基于I2C總線協(xié)議的傳輸。當(dāng)外置攝像頭掃描到物體時首先會生成YCbCr格式的圖像，然后存入SDRAM，接著Ycbcr格式通過解碼生成RGB格式，通過VGA接口在顯示屏上顯示圖像。

（4）在DE1-SoC開發(fā)板上提供了一塊24位的音頻解碼芯片WM8731，此塊解碼芯片是基于I2C總線協(xié)議的傳輸。通過鎖相環(huán)分頻后，控制聲音模塊，將固定樂曲的音調(diào)用MIF Maker生成MIF文件存入ROM中，在數(shù)碼管上顯示樂譜，通過外置藍(lán)牙音箱進(jìn)行聲音放大。

（5）硬件小車模塊主要是通過L298模塊來驅(qū)動直流電機(jī)控制小車模塊的移動，通過FPGA端口的GPIO口的控制信號來給小車移動的相應(yīng)信號。電源主要采用電池給開發(fā)板供電，然后通過降壓后又給電機(jī)以及相應(yīng)模塊供電。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Lazaro J L，Garci J C，Mazo M.Distributed Architecture for Control and Path Planning of Autonomous Vehicles，2001（03）：112-116.

[2] Liu Wanli，Wang Zhankui，Zhu Hua.Novel Method of Trajectory Tracking and Posture Stabilization for Mobile Robot[S.I.].IEEE Press，2010.

[3] Regional objects based image retrieval[A].Proceedings of the 2011 Chinese Control and Decision Conference（CCDC），2011.

[4] 何燚，張翼飛.基于雙目視覺的移動機(jī)器人避障算法仿真研究[J].計算機(jī)仿真，2013（02）：21-24.

[5] 汪明磊.智能車輛自主導(dǎo)航中避障路徑規(guī)劃與跟蹤控制研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[6] 武麗.基于圖像傳感器的黑線提取及抗干擾算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012（02）：11-13.

[7] 崔瑾娟.移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].安陽師范學(xué)院學(xué)報，2013（02）：11-15.

[8] 胡永仕，張陽.基于遺傳模糊算法的智能車輛避障路徑規(guī)劃研究[J].福州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（02）：16-20.

[9] 阮曉芳.多路超聲波機(jī)器人的模糊避障研究[J].計算機(jī)測量與控制，2012（12）：51-53.

[10] 友晶科技.Altera DE1-SoC培訓(xùn)教材[M].友晶科技，2002.

[11] 毛星云，冷雪飛.OpenCV3編程入門[M].電子工業(yè)出版社，2015.

[12] 張茜.智能車輛的軌跡跟蹤控制方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

作者簡介：

陳亮亮（1982-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：信息處理，微電子技術(shù)應(yīng)用.

劉玉瑩（1972-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：信息處理.

詹 春（1975-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：信息處理.