基于PolySync 系統(tǒng)的校園無人駕駛實(shí)驗(yàn)車的設(shè)計(jì)搭建

陳德文，區(qū)德浩，王思卓，孔春玉，李薇，鄧雯苑

（廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣東廣州，510665）

1 設(shè)計(jì)思路

本論文采用以下的設(shè)計(jì)思路來進(jìn)行整個項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，現(xiàn)以流程框圖的形式來進(jìn)行說明，如圖1 所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程框圖

本項(xiàng)目劃分為三大板塊來進(jìn)行，第一板塊：搭建實(shí)驗(yàn)車；第二板塊：規(guī)劃設(shè)計(jì)駕駛道路；第三板塊：搭建實(shí)驗(yàn)車識別系統(tǒng)。下面就以這三大板塊進(jìn)行詳細(xì)講述說明。

2 實(shí)驗(yàn)車機(jī)械結(jié)構(gòu)搭建

2.1 車身系統(tǒng)

在此實(shí)驗(yàn)中，使用Honda 中國節(jié)能競技大賽中的電動節(jié)能車架作為基礎(chǔ)框架，在此基礎(chǔ)上去搭建無人駕駛實(shí)驗(yàn)車的機(jī)械結(jié)構(gòu)。整體車身效果見圖2 所示。

圖2 車身整體效果圖

車架上主包含了驅(qū)動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的無人駕駛實(shí)驗(yàn)車的驅(qū)動方案采用無刷鼓式電機(jī)，型號為XF08 的華宇鑫峰后驅(qū)輪轂電機(jī)。電機(jī)參數(shù)為：工作電壓24V，功率200-350W，最大電流20A，輪徑20英寸，轉(zhuǎn)換效率＞=83%，減速比為1：4.4。如圖3 所示。

圖3 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向方案采用型號為SUPER200的超大扭矩金屬舵機(jī)，在結(jié)構(gòu)上使用鋼質(zhì)齒輪，齒輪間隙設(shè)計(jì)合理，虛位幾乎沒有，采用有刷540 電機(jī)驅(qū)動，耐用性高，CNC 制造的殼體，并配有阻燃ABS 的外殼，具有一定的防水性，安裝方法科學(xué)，并配有舵機(jī)盤。

圖4 舵機(jī)實(shí)物圖

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)圖

表1 舵機(jī)參數(shù)表

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)方案采用無刷控制器。控制器具有剎車斷電，電機(jī)控制，測速，轉(zhuǎn)把調(diào)速和顯示的功能，控制器輸出24V，最大電流15A。實(shí)驗(yàn)中，需要把轉(zhuǎn)改裝成PoluSync系統(tǒng)控制。

PolySync 是一款無人駕駛汽車操作平臺，目的是為了幫助開發(fā)人員快速建立、測試和展開自動駕駛相關(guān)功能的研發(fā)。

實(shí)驗(yàn)中使用的Polysync 系統(tǒng)的攝像頭參數(shù)為：型號Point Grey 2.0MP，像素1600＊1200；使用的主機(jī)參數(shù)：主機(jī)型號HAR-POLYSYNC-MiniDEV-ECU，處理器型號Intel Bay Trail Atom E3845，1.9G 四核，硬盤128G SSD，RAM 8GB。主機(jī)和攝像頭如圖6 和圖7，整體安裝如圖2，攝像機(jī)的高度在1.6m。

圖6 主機(jī)實(shí)物圖

圖7 攝像頭實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)車識別系統(tǒng)搭建

3.1 交通標(biāo)志設(shè)計(jì)安裝

鑒于不是所有的校園道路環(huán)境都是嚴(yán)格帶有道路標(biāo)線指示說明，而且很多情況是校園道路上存在著或多或少的分叉路口。那么為了提高校園道路環(huán)境識別算法的適用性，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文針對校園無人駕駛公交車使用需要，專門為其設(shè)計(jì)了一套專用交通標(biāo)志站牌，主要分為直行、左右轉(zhuǎn)向和停車標(biāo)志P 兩大類別。其中，直行和左右轉(zhuǎn)向標(biāo)志用于校園道路分岔路口的行駛指示，停車標(biāo)志P 主要是用于站點(diǎn)的停靠，以進(jìn)行上下客。根據(jù)顏色的識別的區(qū)分難以程度，直行和左右轉(zhuǎn)向的交通標(biāo)志站牌的底色由紅色組成，而停車標(biāo)志P 的交通標(biāo)志站牌則由黃色底色組成。校園無人駕駛公交專用交通標(biāo)志站牌見圖8 所示：

圖8 校園無人駕駛公交專用交通標(biāo)志設(shè)計(jì)圖

3.2 開發(fā)環(huán)境配置

本設(shè)計(jì)中，在PolySync 系統(tǒng)上采集攝像頭采集道路圖像數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)在我們熟悉的Windows 系統(tǒng)上進(jìn)行仿真分析，確定算法和參數(shù)，再把算法移植到Polysync系統(tǒng)上。因此，在Windows 系統(tǒng)上進(jìn)行仿真分析具有非常重要意義，而首要條件是將Windows 系統(tǒng)上的集成開發(fā)環(huán)境Visual Studio 和Opencv 開源庫進(jìn)行環(huán)境配置。

在此使用的環(huán)境和版本如下，操作系統(tǒng)：Win32 位，開發(fā)環(huán)境：Visual studio 2017，代碼庫：Opencv2.4.13 圖像開源庫，編程語言C++。

安裝Visual Studio 2017 和Opencv2.4.13。在安裝Visual Studio 2017 中，必須保證電腦已經(jīng)安裝好Internet Explorer 11 或最新版本和.NET Framework 4.6 或最新版本。兩者缺一，將導(dǎo)致安裝失敗或安裝后不能正常使用（閃退或建立工程失敗）。在安裝Opencv 開源庫時，需要對應(yīng)Windows 版本和Visual Studio 版 本，如Opencv3 不支持Win2 位。可以在Opencv 文件下的build/下觀察是否有x86 和x64 文件。存在x86 代表支持Win32 位系統(tǒng)，存在x64 代表支持Win64 位系統(tǒng)，反之。在x86 或者x64下可以觀察Opencv 支持的Visual Studio 版本，對應(yīng)關(guān)系為vc8=Visual Studio 2005，vc9=Visual Studio 2008，vc10=Visual Studio 2010，vc11=Visual Studio 2012，vc12=Visual Studio 2013。

配置Windows 系統(tǒng)環(huán)境變量。系統(tǒng)變量Path：添加D：...opencvuildx86vc12in；用 戶 變 量：新建opencv 變量，添加D：...opencv build；用戶變量Path：添加D：...opencvuildx86vc12in。具體路徑由安裝Opencv 地址決定。說明：不管系統(tǒng)是32 位還是64位，路徑目錄均選擇X86，因?yàn)榫幾g都是使用32 位編譯；如果選用X64，則程序運(yùn)行時候會出錯。

3.3 測試環(huán)境取樣

由于本文研究的交通標(biāo)志站牌對象統(tǒng)一安裝于空曠、無遮掩的道路右側(cè)邊緣上，行車位置為當(dāng)前行道的正中位置。在這樣的實(shí)驗(yàn)條件下，那么當(dāng)前對交通標(biāo)志圖像的檢測與識別的最大影響因素便是光照強(qiáng)度的變化，因此本文便以不同天氣、光照強(qiáng)度來獲取圖像樣本集。在晴天、陰天、夜晚三種情況下，固定攝像頭位置（攝像頭頂部離地1.5 米的距離）通過攝像頭PointGrey 采集每一組數(shù)據(jù)。又由于考慮到測試成本的問題，最后本文定制了直行和停車標(biāo)志這兩種標(biāo)志作為測試對象（定制實(shí)物見圖10 直行和停車標(biāo)志實(shí)物定制圖），以此構(gòu)建出校園無人駕駛公交專用交通標(biāo)志測試樣本，測試樣本圖片集見圖11 晴天測試樣本、圖12 陰天測試樣本、圖13 晚間測試樣本。

圖10 直行和停車標(biāo)志實(shí)物定制圖

圖11 晴天測試樣本

圖12 陰天測試樣本圖

圖13 晚間測試樣本

4 小結(jié)

本設(shè)計(jì)對校園無人駕駛實(shí)驗(yàn)車進(jìn)行了初步的改造方案設(shè)計(jì)，其中包括駕駛系統(tǒng)：驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的安裝：攝像頭傳感器和控制器PolySync 的安裝。最后，完成對無人駕駛實(shí)驗(yàn)車的初步改造和搭建。為交通標(biāo)志測試圖像的采集和調(diào)試提供實(shí)車條件、為后面的工作打好一定的基礎(chǔ)。