基于圖像識別的自主駕駛智能小車的設計與實現(xiàn)

陳二陽 張修軍 袁姜紅

摘 要： 結(jié)合圖像識別、模糊自適應PID控制等算法，設計并實現(xiàn)一種自主駕駛智能小車。以NXP的微控制器MK60N512VMD100為核心控制單元，通過CMOS攝像頭OV7725檢測并分析跑道信息，利用512線光電編碼器測定小車的運行速度，并將速度和方向參數(shù)反饋給電機和舵機，結(jié)合PID算法實現(xiàn)閉環(huán)控制。經(jīng)過多次在實驗室模擬跑道實測發(fā)現(xiàn)，小車運行軌跡控制較為精確，速度平穩(wěn)，具備較強的環(huán)境適應能力。

關(guān)鍵詞： 圖像識別； 模糊自適應PID控制； 智能小車； CMOS攝像頭； 光電編碼器； 閉環(huán)控制

中圖分類號： TN02?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0162?04

Design and implementation of autonomous driving intelligent car

based on image recognition

CHEN Eryang1，2， ZHANG Xiujun1， YUAN Jianghong3

（1. School of Information Science and Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106， China；

2. School of Geophysics， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China；

3. Sichuan Winshare Vocational College， Chengdu 611330， China）

Abstract： An autonomous driving intelligent car was designed and implemented based on image recognition and fuzzy adaptive PID control algorithm. With the microcontroller MK60N512VMD100 of the NXP as the core control unit， the CMOS camera OV7725 is used to detect and analyze runway information， and the photoelectric encoder with 512 lines engraved per round is used to measure the running speed of the car， and feed speed and direction parameters back to the motor and steering engine， so as to realize closed?loop control by combining with the PID algorithm. After many actual tests on the simulation runway of the laboratory， it has been found that the car has an accurate running trajectory control， stable speed and strong environment adaptability.

Keywords： image recognition； fuzzy adaptive PID control； intelligent car； CMOS camera； photoelectric encoder； closed?loop control

近年來，隨著車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無線通信、計算機、數(shù)據(jù)挖掘、機器視覺、工業(yè)控制等汽車電子相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，令本已炙手可熱的汽車自主駕駛技術(shù)在國內(nèi)外成為研究焦點，越來越多的廠商投身其中[1]。比如，國外的特斯拉Autopilot、谷歌無人駕駛汽車、蘋果汽車項目“Project Titan”、福特無人車、Uber無人駕駛出租車[2]等，但國內(nèi)目前還沒有特別成熟的自動駕駛產(chǎn)品[3]。基于MK60N512VMD100及CMOS OV7725的自主駕駛智能小車，結(jié)合圖像識別、模糊PID控制等算法，對我國市場上自主駕駛汽車技術(shù)的發(fā)展具有一定的實際意義。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 供電系統(tǒng)總體設計

整個系統(tǒng)能否平穩(wěn)運行一定程度上依賴于系統(tǒng)的供電系統(tǒng)合理性。供電電壓和電流的大小浮動在可控范圍內(nèi)是基本要求，除此之外，還必須考慮信號抗干擾、電源轉(zhuǎn)化效率等優(yōu)化問題[4]。系統(tǒng)外部電源由7.2 V 2 000 mA·h Ni?cd標準蓄電池提供。依據(jù)各模塊客觀需求，系統(tǒng)提供4種穩(wěn)壓電路，如下：

1） 3.3 V電壓。主要為單片機系統(tǒng)、攝像頭、128×128液晶屏、陀螺儀以及部分接口電路提供電源。

2） 5 V電壓。主要為編碼器提供電源。

3） 6 V電壓。主要為數(shù)字舵機（S?D5）提供電源。

4） 12 V電壓。主要用于驅(qū)動電路中。

1.2 系統(tǒng)硬件總體設計

為了盡量避免不同硬件模塊之間的相互電磁干擾，系統(tǒng)硬件力求簡單高效，總體設計如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)軟件總體設計

CMOS OV7725采集到跑道及小車運行信息后，經(jīng)過圖像分析提取到跑道邊緣、中線、跑道元素等有效信息后。一方面，系統(tǒng)判斷當前的跑道元素，并以此為依據(jù)計算出小車的理論速度及舵機轉(zhuǎn)向參數(shù)；另一方面，結(jié)合檢測到的速度信息及當前小車在跑道的運行情況，實時計算誤差，動態(tài)調(diào)整PID參數(shù)，最終輸出最理想的速度參數(shù)和舵機參數(shù)。系統(tǒng)軟件工作框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 MCU供電電路

為了穩(wěn)定MK60N512VMD100的工作電壓，并防止其他器件對芯片電壓造成影響，選用低壓差線性電源芯片TPS7350和TPS7333獨立供電，它們具有完善的過流、過壓、電壓反接保護電路，且功耗小、幾乎不需要單獨考慮散熱問題。MCU供電電路如圖3所示。

2.2 3.3 V，5 V穩(wěn)壓電路

在小車的實際運行中，電機和舵機經(jīng)常會因為路況信息突然啟停，這個過程容易造成電池電壓驟變，一般會把電源電壓拉低1 V多，造成對電源的干擾，這就要求穩(wěn)壓電路必須具備一定的抗干擾能力。

低壓差線性穩(wěn)壓芯片LM2940，最大輸出電流可達1 A，滿足液晶屏、攝像頭、編碼器等外圍器件的使用，且抗干擾性高，故系統(tǒng)中的3.3 V，5 V穩(wěn)壓電路中選用LM2940。穩(wěn)壓電路如圖4所示。

2.3 6 V穩(wěn)壓電路

系統(tǒng)選用的轉(zhuǎn)向舵機為S?D5數(shù)字舵機，其常見工作電壓為5.5 V，為了使舵機具備更快的響應速度，在電壓浮動范圍內(nèi)系統(tǒng)為其提供6 V供電電壓。系統(tǒng)選用LM2596_ADJ構(gòu)造6 V穩(wěn)壓電源，該模塊輸出電壓穩(wěn)定、紋波小、穩(wěn)壓效果較為理想。6 V穩(wěn)壓電路如圖5所示。

2.4 電機H橋驅(qū)動電路

較好的加速與制動能力對小車運行速度和平穩(wěn)性具有重要的意義。研究發(fā)現(xiàn)，直流電機的速度與施加的電壓成正比，輸出轉(zhuǎn)矩則與電流成正比[5]。系統(tǒng)選用540強磁碳刷直流電機，其額定工作電壓為12 V。為了盡可能地避免電機顫抖、噪音大等問題，并能夠滿足對電機反轉(zhuǎn)的需求，系統(tǒng)采用H橋控制電路。部分芯片內(nèi)部集成了H橋電路和內(nèi)部驅(qū)動，比如SGS公司的L298，NXP公司的MC33886和MC33887等，但是上述芯片由于內(nèi)阻較大，容易導致嚴重發(fā)熱、驅(qū)動能力不足等問題[6]，實際效果也不理想。經(jīng)過實驗測試，系統(tǒng)采用MOS管IRF3205搭建H橋驅(qū)動電路，能夠提供較大的電流，并且能夠反轉(zhuǎn)，效果較為理想，電路圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

實驗室模擬跑道中共設置有9種常見道路元素，分別為“起跑線”“障礙”“S型彎道”“直角彎道”“十字路口”“坡道”“直道”“環(huán)島”“結(jié)束標志”，為了方便描述，系統(tǒng)中將以上9種跑道元素依次設置為編號：01，02，03，04，05，06，07，08，09。

系統(tǒng)通過CMOS攝像頭OV7725檢測跑道元素信息，并使用模擬比較器對圖像進行硬件二值化，進而提取跑道兩邊的黑色邊緣的中心線作為引導線，用于跑道路徑及轉(zhuǎn)向的判斷依據(jù)。電機控制采用模糊自適應PID算法，舵機控制采用PD算法，以達到快速、穩(wěn)定的控制效果。主程序流程圖如圖8所示。

3.1 跑道邊線提取

在小車實際運行過程中，由于光線、路肩、雜點等干擾因素的影響，攝像頭捕捉到的圖像效果往往比模擬狀態(tài)有較大程度的差距，因此，在提取跑道信息之前必須對圖像數(shù)據(jù)進行預處理，盡可能去除噪音。

設計思路：左邊搜索100跳變作為左側(cè)邊線參考，右邊搜索001跳變?yōu)橛覀?cè)邊線參考（“0”表示“白”色，“1”表示“黑”色）。最后還要對未找到的邊線行進行補線。流程圖如圖9所示。

3.2 PID控制

3.2.1 電機控制采用模糊自適應PID算法

智能車運行過程中，由于“路況”復雜，存在非線性、參數(shù)時變性和模糊不確定性，經(jīng)典PID控制對該過程的控制效果很不理想[7]。模糊自適應PID控制器對數(shù)學模型的依賴性較弱，無需建立控制過程的精確數(shù)學模型，只需把系統(tǒng)規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識存入計算機知識庫中[8]，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際相應情況，運用模糊推理，自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整[9]。模糊自適應PID結(jié)構(gòu)圖如圖10所示，預存入計算機知識庫的相關(guān)信息見表1。

在運行中通過不斷檢測誤差e和誤差變化ec，根據(jù)模糊控制原理對KI，KP，KD進行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，而使對象有良好的動靜態(tài)性能[10]。

3.3.2 舵機控制采用PD算法

為了使小車有較好的跑道適應能力，首先根據(jù)有效行、偏差和圖像信息判斷出不同的跑道情況，根據(jù)不同路況情況，分別給小車舵機不同的PD值，以便直接快速控制舵機轉(zhuǎn)向，優(yōu)化小車行駛路徑。

4 結(jié) 語

整車在實驗室模擬跑道環(huán)境下進行測試，跑道整體背景為深藍色，跑道路面（45 cm寬）為白色，沿跑道鋪有黑色邊界（2.5 cm寬），整體跑道長度共計60 m。

經(jīng)過多次實測發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)所采用的軟硬件能夠較好地協(xié)調(diào)工作，小車運行軌跡較為精確，平均速度約3 m/s，具備較強的環(huán)境適應能力，基本達到系統(tǒng)預期設計目標。

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