智能車兩類路徑識別系統(tǒng)比較研究

張迪洲，李增彥

（軍械工程學(xué)院 光學(xué)與電子工程系，河北 石家莊 050003）

智能車的應(yīng)用前景十分廣泛，智能水平也越來越高，給我們的工作和生活都帶來了極大的方便。結(jié)合傳感器技術(shù)和自動駕駛技術(shù)，智能車可以出色的完成人們下達(dá)的任務(wù)，比如汽車夜間安全輔助駕駛、無人值守的巡邏監(jiān)視、物料的運(yùn)輸、消防滅火等。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，都離不開智能車的路徑識別系統(tǒng)，使用更精確、更穩(wěn)定的路徑識別系統(tǒng)可以為智能車提供更豐富的環(huán)境信息，為智能車實(shí)現(xiàn)更多的功能提供必需的條件。

在“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽中，常見的路徑識別系統(tǒng)分為基于光電傳感器和基于攝像頭傳感器兩種方案。路徑識別系統(tǒng)作為智能車的“眼睛”，是整個(gè)控制算法的基礎(chǔ)，具有舉足輕重的地位[1]。其設(shè)計(jì)得好壞與否，直接關(guān)系到智能車的整體性能。研究中首先完善了基于光電傳感器和基于攝像頭傳感器兩類路徑識別系統(tǒng)，然后對這兩種方案進(jìn)行了比較，對每種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。在比較過程中，也促進(jìn)了兩種方案的交流，進(jìn)而互相啟發(fā)，取長補(bǔ)短，使各自路徑識別系統(tǒng)更加完善。完善后的光電傳感器路徑識別系統(tǒng)采用了激光傳感器，如圖2所示。

圖1 光電傳感器智能車Fig．1 Laser sensor-based smart car

圖2 激光傳感器路徑采集模塊Fig．2 Laser sensor-based path identificationmodule

1 基于光電傳感器的路徑識別系統(tǒng)

光電傳感器路徑識別系統(tǒng)通常采用紅外傳感器或者激光傳感器，統(tǒng)稱光電傳感器[2]，制作好的光電傳感器智能車如圖1所示。

針對激光傳感器功率高，準(zhǔn)直性好、前瞻距離大的特點(diǎn)，

采用收發(fā)分離的采集策略，使每一個(gè)接收管接收對應(yīng)兩個(gè)發(fā)射管發(fā)出的激光，并采用控制電路對14個(gè)發(fā)射管進(jìn)行奇偶分組發(fā)光的策略。減輕了傳感器電路板的重量，防止了相鄰發(fā)射管之間的干擾，縮短了路徑采樣的周期，節(jié)省了器件的使用和單片機(jī)的資源。在軟件算法上將連續(xù)若干次一維檢測結(jié)果記錄下來，組合成一幅二維“圖像”，實(shí)現(xiàn)由一維信息向二維信息的轉(zhuǎn)換，從橫向和縱向兩個(gè)方向共同分析黑線中心位置的特點(diǎn)和相互關(guān)系，進(jìn)而識別賽道模式，獲取黑線的變化趨勢等賽道信息[3]。

2 基于攝像頭傳感器的路徑識別系統(tǒng)

攝像頭傳感器路徑識別系統(tǒng)通常采用模擬攝像頭或者數(shù)字?jǐn)z像頭，制作好的攝像頭傳感器智能車如圖3所示。

圖3 攝像頭傳感器智能車Fig.3 Camera sensor-based smart car

由于數(shù)字?jǐn)z像頭不需要外部的復(fù)合視頻信號分離電路和AD模塊，輸出的數(shù)字圖像信號直接傳送給了單片機(jī)[4]，大大簡化了路徑識別系統(tǒng)的硬件電路，因此完善后的攝像頭路徑識別系統(tǒng)采用數(shù)字?jǐn)z像頭，如圖4所示。攝像頭應(yīng)放在智能車轉(zhuǎn)心附近，降低智能車轉(zhuǎn)動慣量，使智能車轉(zhuǎn)向更加容易。

圖4 數(shù)字?jǐn)z像頭路徑采集模塊Fig.4 Digital camera sensor-based path identificationmodule

由于路徑識別系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求很高，所以必須采用簡單高效的圖像識別算法。此設(shè)計(jì)采用的是直接邊緣檢測和跟蹤邊緣檢測相結(jié)合的方法。

前10行采用直接邊緣檢測。在攝像頭視野里，前10行背景干擾相對來說不明顯，采用直接邊緣檢測可以提取每行中的所有黑線，有利于識別十字線賽道和起跑線。

中間20行采用跟蹤邊緣檢測。根據(jù)前兩行黑線的延伸方向和寬度估算當(dāng)前行黑線的位置和寬度。如果此行存在多段黑線，則取最接近的那段。

最后20行同樣采用跟蹤邊緣檢測。因?yàn)閿z像頭采集到的圖像遠(yuǎn)處小近處大，越遠(yuǎn)的黑線寬度越窄，所以對最后二十行采用跟蹤邊緣檢測的時(shí)候搜索的范圍更窄。以提高算法的執(zhí)行效率，節(jié)省時(shí)間。

3 兩類路徑識別系統(tǒng)的比較

本文分別在硬件設(shè)計(jì)和軟件算法上分別對完善后的兩類路徑識別系統(tǒng)進(jìn)行了比較，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并在兩種方案中取長補(bǔ)短，使各自路徑識別系統(tǒng)更加完善。

在計(jì)算裝機(jī)容量時(shí)，已知的相關(guān)參數(shù)有：壩址年平均徑流量Wp(億m3)；上游合計(jì)有效庫容Vs(億m3)；本級有效庫容Vb(億m3)；總有效庫容Vz(億m3)；多年平均發(fā)電量Ep(億kW·h)；可靠電能Ekk(億kW·h)；可靠出力Nk(MW)。

3.1 兩類路徑識別系統(tǒng)的硬件比較

1）硬件電路設(shè)計(jì)

基于激光傳感器的路徑識別系統(tǒng)在硬件電路的設(shè)計(jì)上主要為單片機(jī)決策系統(tǒng)、發(fā)射接收電路和選通控制電路。在本次制作的智能車中，采用一個(gè)接收管對應(yīng)兩個(gè)發(fā)射管的方式，大大節(jié)省了單片機(jī)的端口資源[5]。但需要自主制作主控板和傳感器電路板，其中發(fā)射接收還需要調(diào)整測試每一個(gè)發(fā)射管的功率和前瞻距離。

基于數(shù)字?jǐn)z像頭的路徑識別系統(tǒng)在硬件電路的設(shè)計(jì)上只需要自主制作主控板。由于數(shù)字?jǐn)z像頭片內(nèi)集成了復(fù)合視頻信號分離電路和AD模塊，所以主控板的制作簡化了這兩部分。

經(jīng)過比較，基于數(shù)字?jǐn)z像頭的路徑識別系統(tǒng)在硬件電路的制作上更為簡單，從而節(jié)省了制作智能車的時(shí)間。

2）傳感器的布局和安裝

基于激光傳感器的路徑識別系統(tǒng)在傳感器的布局和安裝上方式比較靈活，經(jīng)過巧妙地設(shè)計(jì)，可以增加采集的精度，獲取更多的賽道信息。如“W”型布局、多排布局和隨動布局，但隨著布局方式的升級，其路徑采集的算法也隨之更加復(fù)雜。在安裝方式上，為了獲得更大的前瞻距離，傳感器電路板多安裝在車體的前側(cè)，但由于激光管的數(shù)量多、重量大，所以傳感器電路板的固定需要綜合考慮車體重心，轉(zhuǎn)動慣量和前瞻距離的關(guān)系。

基于數(shù)字?jǐn)z像頭的路徑識別系統(tǒng)在傳感器的布局和安裝方式上比較單一。由于攝像頭前瞻距離比較大，其安裝位置一般位于車體的轉(zhuǎn)心，采用豎直支撐桿?？梢哉{(diào)節(jié)其高低自由度、方位自由度和俯仰自由度。由于攝像頭的重量比較輕，所以在傳感器的安裝方式上幾乎不需要過多地考慮車體的重心和轉(zhuǎn)動慣量[6]。

經(jīng)過比較，激光傳感器的布局和安裝方式比較靈活，多種多樣，有較大的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新空間。但在通常的設(shè)計(jì)中，激光傳感器電路板的重量要遠(yuǎn)大于攝像頭的重量，布局和安裝都要更多的考慮智能車的重心、轉(zhuǎn)動慣量等其他因素。而且增加了智能車的整體重量，影響了智能車的行駛速度。另外在成本上，雖然單個(gè)激光管的成本沒有攝像頭高，但因?yàn)樗杓す夤軘?shù)量比較多，且需要自己制作傳感器電路板，所以在總成本上要遠(yuǎn)高于攝像頭。

3.2 兩類路徑識別系統(tǒng)的軟件比較

1）圖像采集

圖像采集是傳感器獲得賽道信息的初始信息，其主要性能參數(shù)是采樣速度、采樣精度和采樣范圍。

基于激光傳感器的路徑識別系統(tǒng)[7]由于采用奇偶分組發(fā)光策略，檢測周期短，更新速度快，軟件處理速度快，實(shí)時(shí)性好?；跀?shù)字?jǐn)z像頭的路徑識別系統(tǒng)采集一場圖像周期較長，實(shí)時(shí)性稍差。但攝像頭獲得的圖像信息豐富，連續(xù)性好，精度高，其每一場圖像可以達(dá)到數(shù)十行，且每行掃描的點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到數(shù)十個(gè)，這是激光傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法完成的。

由于受到器件本身的性能以及安裝位置的影響，激光傳感器的前瞻距離一般都在四五十厘米左右，而攝像頭的前瞻卻可以達(dá)到一米以上。

2）濾波算法

由于攝像頭采集到的路徑信息精度高，范圍大，所以在數(shù)字濾波算法方面具體更大的可執(zhí)行空間。雖然在設(shè)計(jì)中兩類路徑識別系統(tǒng)都用到了基于賽道連續(xù)性的中值濾波。但激光傳感器主要是對單行信息進(jìn)行了濾波處理，另外由于激光傳感器采集到的行數(shù)較少，每一行采集到的點(diǎn)數(shù)也較少，所以濾波后的圖像連續(xù)性較差，不能精確的反映出賽道的信息。而攝像頭可以在采集到的一場中對整場圖像進(jìn)行濾波，并且采集到的行數(shù)和每行的點(diǎn)數(shù)都比較多，濾波后的圖像更能反映出賽道的真實(shí)特征，從而為下一步賽道識別提供更加精準(zhǔn)的信息。

3）賽道識別

基于激光傳感器的路徑識別系統(tǒng)在賽道識別上，吸收了攝像頭路徑識別系統(tǒng)中整場處理的思想。根據(jù)連續(xù)多行中黑色引導(dǎo)線的位置和變化趨勢來判斷賽道特征，識別賽道模式。但由于采樣精度和前瞻距離的影響，實(shí)際測試中并不能很好的識別S彎道。尤其在坡道的識別上攝像頭的優(yōu)勢更加明顯。

表1 兩類路徑識別系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 Advantages and disadvantages of the two types of path identification system

由表1可知，基于激光傳感器的路徑識別系統(tǒng)具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，檢測周期短，實(shí)時(shí)性好，且單片機(jī)易于處理。經(jīng)過完善，在一定程度上解決了占用較多單片機(jī)端口的問題。但硬件電路的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要自主制作的傳感器電路板。而且光電傳感器本身存在著檢測距離近，前瞻性差的問題，獲得的賽道信息連續(xù)性差，不能對遠(yuǎn)方的路徑進(jìn)行識別，降低了對環(huán)境的適應(yīng)能力，影響了智能車速度的提升。本設(shè)計(jì)對激光傳感器路徑識別系統(tǒng)的識別算法上，吸收了攝像頭傳感器“場”的思想，把一維信息轉(zhuǎn)化為二維信息，在一定程度上增強(qiáng)了對賽道信息識別的能力。

基于數(shù)字?jǐn)z像頭的路徑識別系統(tǒng)，獲得的賽道信息前瞻距離大，連續(xù)性好，精度高，能夠精確地感知智能車的位置，盡可能早地對前方的賽道信息進(jìn)行預(yù)判定，有利于特殊賽道的識別。并且硬件安裝簡單，調(diào)試方便。不足之處是采樣周期長，實(shí)時(shí)性稍差，并且軟件算法比較復(fù)雜。如果攝像頭傳感器可以與光電傳感器配合使用，便可以吸收光電傳感器在采樣速度和實(shí)時(shí)性方面的優(yōu)點(diǎn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)束語

本文對兩類路徑識別系統(tǒng)分別在硬件設(shè)計(jì)和軟件算法上進(jìn)行了完善和比較，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。激光傳感器路徑識別系統(tǒng)具有更高的采樣速度和實(shí)時(shí)性，且軟件算法容易實(shí)現(xiàn)。數(shù)字?jǐn)z像頭路徑識別系統(tǒng)具有更高的采樣精度和更大的前瞻距離，對特殊賽道具有更強(qiáng)的識別能力。

[1]卓晴，黃開勝，邵貝貝．學(xué)做智能車——挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

[2]邵貝貝．微控制器嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法 [M]．北京：清華大學(xué)出版社，2007．

[3]邵貝貝，龔光華．單片機(jī)認(rèn)識與實(shí)踐[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006．

[4]王名發(fā)，江智軍，郭鵬．基于OV7620攝像頭智能車道路信息視頻采集及處理研究 [EB/OL]． （2010-04-04）．http：//www．docin．com/P-49234997．html．

[5]Barrett SF，Pack D J．《嵌入式系統(tǒng)——使用68HC12和HCS12的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》[M]．鄭扣根，等譯．北京：電子工業(yè)出版社，2006．

[6]臧杰，閻巖．汽車構(gòu)造[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

[7]李國柱．基于CMOS攝像頭的智能車路徑跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（18）：12-14，17．

LIGuo-zhu．Design of tracing system for intelligent vehicle based CMOS camera[J]．Modern Electronic Technique，2011（18）：12-14，17．