基于CCD傳感器的路徑識別方法研究與應用

馮玉如

摘要：由于信息時代的進步，各種科技技術得到了蓬勃發展，智能車研究成為現代社會的熱點，智能車利用傳感器和算法來快速了解車輛行駛的道路環境。本文設計的智能小車利用CCD傳感器來采集道路信息，并以恩智浦K60單片機為控制芯片，研究其路徑識別算法，從而控制電機的速度及舵機的轉向，實現自動循跡的功能。同時，對智能車的研究現狀以及未來應用與發展前景做一個全方面的介紹。

關鍵詞：CCD傳感器；智能車；路徑識別；識別算法

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0087-02

智能汽車領域在世界范圍內迅速發展，公共交通、工業和軍事領域的多樣性日益增加。智能車自動化系統提供了在安全和操作效率方面顯著增強的潛力[1]。智能車輛系統使用傳感器和智能算法來快速了解車輛周圍的環境，或者協助駕駛員進行車輛操作或汽車自動化行駛[2]。在智能車發展的背景下，設計一種基于線性CCD傳感器為識別裝置，并以恩智浦K60單片機為控制器的路徑識別系統。線性CCD傳感器作為路徑識別裝置，將采集到的圖像發送給單片機，單片機根據閾值進行二值化處理，二值化后的數據再經過數值濾波，獲得完整的二值化圖像。根據當前的行駛軌跡和編碼器采集反饋的速度，利用PID控制方法動態調節舵機轉角以及控制直流電機的轉速，調整行駛方向與行車速度，實現任意路徑識別與智能行駛。

1 系統硬件設計

系統硬件主要由單片機、CCD傳感器、SD-5舵機、TFT液晶屏、編碼器和電機驅動六個部分組成，如圖1所示為系統硬件框架圖。

主控制器采用恩智浦K60單片機，此單片機為32位微控制器，是整個系統的“大腦”。

CCD傳感器采用TSL1401L芯片，可以采集道路當前信息發送給單片機，供單片機處理道路信息。舵機選用SD-5舵機，其靈敏度較高，在接收到單片機的控制信號后能快速調整車輛轉角。編碼器用以采集電機轉速，轉速信息編碼器將轉化為脈沖發送給單片機，而K60單片機具有正交解碼功能，可以將采集到計數脈沖通過正交解碼轉化成速度信息。系統采用一塊TFT液晶屏，能實時顯示CCD傳感器采集到的圖像信息、舵機角度、賽道信息和編碼器反饋回來的速度。電機驅動由2個半橋驅動芯片BTS7960B組合而成為一個全橋驅動器，同時增加總線驅動芯片74LVC245，該芯片能提高驅動能力，并能隔離BTN7940B芯片和主控K60芯片，防止芯片燒壞[3]。

1.1 單片機主控芯片

系統核心控制單元采用恩智浦K60單片機，此單片機為32位微控制器，線性CCD采集到的道路信息，返回到單片機，單片機會輸出一路PWM波，用以控制舵機的轉向。在車速控制中，單片機會輸出四路PWM波到電機驅動上，電機驅動再加以控制電機正反轉和相應轉速，以此來控制車速。

1.2 CCD傳感器模塊

整個控制系統最核心的部分就是如何清晰地看見道路的具體情況，即系統的“眼睛”，系統設計上選用CCD傳感器。CCD傳感器相比于傳統的光電管，具有分辨率高、功耗低、前瞻性好等優點，從而可以獲取更多的道路信息。

1.3 電源模塊

使用標準車模7.2V電池供電，路徑識別的CCD傳感器和編碼器需要5V電源，采用LM2940降壓芯片將7.2V的電池電壓降壓到5V，供CCD傳感器使用，而單片機系統需要3.3V電源，將經過降壓后的5V電源通過AMS1117芯片降壓3.3V電源供單片機使用，舵機使用6V供電，通過調節滑動變阻器將7.2V降壓到6V供舵機使用，而直流電機可以使用7.2V電源直接供電。

2 系統算法設計

2.1 主程序流程圖

主程序流程圖如2所示，將主控板的電源開關打開，單片機開始運行，初始化程序完成后，液晶屏上會顯示當前賽道圖像和行駛速度，根據當前環境光照，輸入相關參數。緊接著CCD傳感器開始工作，采集賽道信息，供單片機處理。CCD傳感器不斷掃描賽道，根據特征點判斷出賽道類型，是直線還是彎道等等，以便控制舵機轉向和電機的速度。當CCD傳感器掃描到停車線時，單片機輸出信號使舵機回正方向，以及電機反轉使行駛速度減下來，速度為零時停車。

2.2 路徑識別算法

如圖3所示為整個路徑識別算法的過程。根據CCD傳感器采集回來的像素點，計算出像素點的最大值與最小值，根據最大值與最小值計算出動態閾值。由動態閾值的大小，對圖像進行二值化處理，二值化處理后的數據經過數據濾波，排除干擾點。

2.3 彎道處理

路徑識別算法的重要性不言而喻，而彎道處理對于車輛的穩定性也是非常重要的。在處理彎道時，需要考慮三個參數并加以設定，分別是切彎時路徑選擇、入彎時角度控制、過彎時速度大小[4]。在本設計中，切彎時采取沿中線過彎，與過內道相比，增加車輛調整時間，提高容錯率。與過外道相比，能縮短車輛過彎的時間。選擇中線過彎，能夠保證車輛運動狀態穩定。入彎角度將根據CCD傳感器兩側跳變沿的偏移值算出舵機的轉向角度，供舵機轉向。過彎速度采取入彎減速，出彎加速的策略。

在處理彎道中，切彎時路徑選擇、入彎時角度控制、過彎時速度大小這三個參數的選擇是尤為重要的，不可僅僅對單一參數進行調整。同時，彎道的處理也受傳感器的安裝位置、舵機的靈敏度和電機的驅動力影響。

2.4 PID控制

由于小車跑過的路線不需要考慮，在設計過程中將舵機的PID控制簡化為PD控制，速度閉環控制采用了增量式PID控制。在設計中，因為舍棄了I控制，就不需要再確定舵機和電機積分參數，只需通過試湊法來確定比例和微分參數[5]。根據試湊法，觀察各參數對舵機和電機的大致影響，最終確定舵機PD控制中比例系數Kp為8，微分常數Td為0.02，速度閉環增量式PID控制中比例系數Kp為15，積分常數Td為1，微分常數Td為4。

3 結果驗證

如圖4所示，當CCD傳感器掃描到直線特征時，單片機處理采集到的數據，控制舵機方向微調，使小車始終維持在中線上，電機加速使其快速通過直線區域。當掃描到彎道特征使，如圖5所示，按照入彎時減速，以得到足夠的調整時間，獲得正確的轉向角度；在彎道內適當提速，并保持角度不變，為出彎時的加速節約時間；出彎時，先準確判斷標志，然后加速。當CCD掃描到左右黑線偏差五個像素點時，即是S形彎道，根據S形彎道算法的處理，此時小車將S形彎道當作直線，加速駛過。在十字的時候，出現全白的信號，在傳感器穩定的前提下，能出現全白的也只會在十字的時候出現，此時按照入十字的速度平穩行駛。當CCD測得具有駝峰形狀的賽道信息，即測得停車線信息，單片機輸出信號使舵機回正方向，以及電機反轉使行駛速度減下來，速度為零時停車。

4 結語

基于對機械布局、硬件設計和軟件算法的研究，實驗結果表明依據CCD傳感器采集回來的路徑信息，單片機在路徑算法的幫助下，能規劃好行駛路徑，很好地分辨出直道、彎道、S彎、十字路口等路況。

參考文獻

[1]Bishop R. A survey of intelligent vehicle applications worldwide[C]. Intelligent Vehicles Symposium， 2000. IV 2000. Proceedings of the IEEE. IEEE， 2000：25-30.

[2]尹念東.智能車輛的研究及前景[J].上海汽車，2002，2（4）：40-42.

[3]李旭東，廖中浩，孟嬌.基于CMOS攝像頭的智能車控制系統設計及實現[J].吉林大學學報（信息科學版），2013，31（04）：414-418.

[4]高正中，趙麗娜，李世光，白星振，宋森森.基于攝像頭的智能車控制系統設計[J].自動化與儀表，2015，30（06）：1-4.

[5]陳孟元，孫書誠，王虎.基于圖像識別的尋跡智能車設計[J].重慶理工大學學報（自然科學），2013，27（03）：80-84.