基于樹莓派的多傳感器遠程駕駛小車設計

郭夢蝶,賀 飛,韓 磊

(沈陽科技學院,遼寧 沈陽 110167)

0 引言

近年來,信息技術和計算能力的提升推動了智能化技術的發展,遠程駕駛技術也取得了全方位的突破。遠程控制產品在各個領域得到了廣泛應用,發揮著不可替代的作用。在搜救探測和智慧交通等領域,人們的需求不斷增加,遠程控制駕駛小車應運而生。在火災現場、自然災害發生地和人類未涉足的區域,探測者經常需要冒險進入復雜的環境中采集環境數據[1]。為了保證安全,可以使用遠程駕駛小車代替人類完成相關工作。樹莓派作為核心控制單元,引入了安全認證機制和數據加密技術優化數據傳輸和圖像處理,通過遠程數據操控小車,提高效率和便利性,推動智能交通的發展與應用。隨著科技水平的進步,遠程駕駛小車種類繁多,各類傳感器設備被用于避障及探測模塊上[2]。然而,探測數據可視化和豐富化方面仍存在缺陷。如何將各種傳感器的信息融合,實現優勢互補,是一個需要研究的課題。本設計選取樹莓派做為主控制器,憑借激光雷達和雙目攝像頭等設備收集環境信息,并通過4G移動信號通信實現與控制終端信息交互的功能,使用C語言編寫主程序實現信號加密傳輸與控制,實時將信號傳輸給控制器,實現對小車的定位追蹤和調控[3]。

1 遠程駕駛小車功能設計

1.1 設計目的

市面上有許多單一傳感器的遠程駕駛小車,這些產品存在感知能力受限、依賴環境條件、易受干擾、信息不全面等問題。單一傳感器,如僅使用攝像頭或激光雷達等,攝像頭可能受到光線、天氣和遮擋等因素的干擾,影響圖像質量和識別能力;而激光雷達雖然能夠提供較為準確的距離和位置信息,但對于透明物體或特殊表面可能存在識別困難。同時,在強烈陽光照射下,攝像頭可能無法正確識別物體,或者在環境過于復雜或變化頻繁時,激光雷達的數據處理和解釋可能變得困難。另外,攝像頭可能因干擾物或光線條件導致誤識別物體或出現虛假識別;激光雷達數據也可能因被其他物體反射或干擾物遮擋而產生錯誤的距離測量。單一傳感器的數據只能提供有限的信息,無法獲得物體完整、多角度的視覺或距離信息。這可能導致在遠程駕駛過程中忽略一些重要的細節或障礙物。

為了克服這些缺點,本設計使用多傳感器融合的方法,即將多個不同類型的傳感器組合起來,綜合利用它們的優勢和互補性。使用多傳感器數據融合算法,可以提高遠程控制小車的感知能力,增強對不同環境的適應性,降低錯誤和干擾的影響。

1.2 實現功能

樹莓派遠程駕駛小車通過多個傳感器來感知外界環境,這些傳感器是小車的“眼睛”,而樹莓派控制器則是小車的“大腦”。具體而言,紅外雷達、激光雷達、雙目攝像頭這3個傳感器可以識別感知外界環境,并將相關信息傳輸到樹莓派控制器中。該控制器通過對收集到的外界環境數據的整合,從中提取有用信息,經過處理后向各個板塊和零件下達命令,從而提高了系統的容錯性、安全性和便利性。

另一方面,本設計采用語音識別芯片LD3320和配套的模塊控制電路以及STC公司的STC10L08XE單片機,成功實現了遠程駕駛小車的語音控制系統。LD3320芯片集成了語音識別處理器和外部電路,因此,不需要額外添加RAM芯片或Flash等。當外部聲音進入語音識別模塊后,LD3320將處理后的語音數據傳輸到樹莓派控制器進行處理,之后樹莓派控制器發送控制命令數據到遠程駕駛小車外圍串行設備,實現控制操作[4]。

本設計采用了傳感器信息融合技術,利用SLAM建模方法處理激光雷達測量的數據,從而獲取環境中障礙物的精確距離信息。同時,利用SIFT算法從雙目攝像頭在不同視角或距離獲取的圖像中找出特征點進行匹配,得到旋轉角度信息。通過導航工具箱消除機器人在行進過程中雙目攝像頭獲取圖像時間上的差異,結合激光雷達、紅外雷達以及雙目攝像頭收集的信息,本設計融合了距離信息和旋轉角度信息,由此確定移動機器人的初始位置并獲得路標信息,構建了特征地圖。最后,采用擴展卡爾曼濾波器進行自主導航[5]。

2 硬件組成

2.1 主控制模塊

本設計以樹莓派4B微型主板作為小車的控制核心,并搭載了ARM Cortex-A53 1.4 GHz 64位4核ARMv8 CPU。此外,該主板內存較大,具備可實現多方擴展功能的USB接口和更為先進的網絡接口,同時還可以實現視頻和音頻的有效傳輸以及人機之間的數據交流[6]。

2.2 驅動電機模塊

智能小車采用4個直流步進電機和TB6612FNG電機驅動模塊進行運動控制[6]。TB6612FNG是一款高效率、大負載能力的直流電機驅動器件,它由TB6612FNG芯片、電源接口、電機輸出接口和控制信號輸入接口等組成。相比傳統的晶體管H橋驅動器,它具有更高的效率和更大的負載能力。通過控制電機的速度和方向,小車可以適應各種環境,實現正轉、反轉、制動、啟停等動作,使智能小車能夠正常運行。同時,電機驅動模塊接收PWM信號來調節電機速度,進而實現智能小車的運動控制。

2.3 紅外雷達探測模塊

該小車使用紅外線傳感器和光敏電阻器來檢測周圍環境。紅外線傳感器由發射管和接收管組成,當發射管發射一定頻率的紅外線時,如果沒有檢測到障礙物,接收管接收不到信號,電平保持不變;反之,如果前方有障礙物,接收管會接收到經過反射后的紅外線,此時檢測相關引腳的電平變化可以判斷前方的障礙物情況和環境狀況。

同時,小車還裝有光敏電阻器,其電阻值隨環境的光強而改變,二者呈現明顯的負相關關系。將光敏電阻連接到主控板上,通過相關引腳的電平變化判斷環境光的強弱[6]。

主控板接收信號后,結合上述2種不同信號,運用相關算法對周圍環境情況進行分析,從而準確判斷前方障礙物情況和光照狀況。

2.4 激光雷達模塊

在遠程駕駛小車中,激光雷達是一種重要的傳感器,可以廣泛應用于車輛的環境感知和導航。其主要作用是通過發射激光束并測量其返回時間來獲取環境的三維結構和信息。相比其他傳感器,激光雷達不受光照條件限制,即使在黑暗環境中也能穩定工作。激光雷達的數據匹配定位具有很好的魯棒性和精度,因此應用廣泛。

本設計采用SLAMTEC思嵐科技公司開發的激光雷達傳感器RPLIDAR A2。該傳感器結構包括激光測距核心、供電與機械部分、通信與供電接口以及USB轉接模塊等。其中,激光雷達測距的核心部分由發射頭和接收頭組成。發射頭主要負責發射激光信號,接收頭專門用于接收反射信號并進行專業處理。

RPLIDAR A2的工作原理:發射器發射激光信號,遇到障礙物產生反射,之后被激光接收器接收。激光接收器內部具有高速視覺采集處理機構,經過嵌入在RPLIDAR A2內部的DSP處理器實時處理信號,從而可以從通信接口輸出被照射到的障礙物與RPLIDAR A2的距離值和角度信息。

2.5 雙目視覺模塊

樹莓派微型電腦主板可以通過外接4G圖像傳輸模塊實現視頻音頻的實時傳輸,因此探測模塊加裝了線性CCD攝像頭來對需要探測的環境進行圖像采集,并將采集的圖像資料轉換成數據資料傳輸到小車控制主板。樹莓派主板通過4G移動信號將圖像傳輸到控制終端,然后由控制終端將控制指令傳輸到樹莓派主控制器,主控制器控制電機做出相應的反應動作。攝像頭的加入進一步豐富了小車的探測數據,彌補了激光雷達和紅外線的探測結構可視性不夠好的缺點,使得探測小車的應用范圍更加廣泛[6]。

3 探測信號傳輸

在系統激活后,CCD攝像頭雙目視覺模塊開始工作,利用4G傳輸將收集到的圖像信息送出至樹莓派主控制器上,收到信號后樹莓派主控制器向遠程駕駛小車上的其他模塊及零件下達命令,電機驅動模塊開始工作。緊接著小車開始運動,CCD攝像頭、激光雷達傳感器、紅外探測傳感器運行。這樣就可以通過收集到的數據進行即時定位和地圖構建,進而確定小車的位置和周圍情況。樹莓派控制器在接收到消息后,對其進行整合并提取有用信息。再次將這些信息傳輸給電機驅動模塊,不斷調整行駛角度、方向、速度,使小車安全平穩運行。

4 結語

基于樹莓派的多傳感器遠程駕駛小車的技術改進和未來的發展方向如下。

(1)改進傳感器技術。傳感器是多傳感器遠程駕駛小車的核心組件,不斷提升傳感器的性能可以增強系統的感知能力。

(2)加強算法和人工智能技術研發。多傳感器遠程駕駛小車需要利用大量的數據進行感知、決策和控制,需要針對不同的駕駛場景和情況設計和優化相關算法。

(3)加強通信和網絡技術研究。多傳感器遠程駕駛小車的遠程駕駛模式需要通過網絡實現車輛與控制中心之間的通信和數據交互。為了確保通信的可靠性和實時性,需要研究和開發高速、低延遲的通信和網絡技術。