基于樹(shù)莓派的車道保持小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱永強(qiáng) 石炳明

摘要：車道保持是基于各種傳感器，當(dāng)車輛接近識(shí)別到的標(biāo)記線而且可能脫離行駛車道時(shí)，發(fā)出警報(bào)或者進(jìn)行控制的系統(tǒng)，在無(wú)人駕駛過(guò)程中，是非常重要的環(huán)節(jié)。本文基于樹(shù)莓派3B+，利用攝像頭設(shè)計(jì)搭建了智能小車，用Python語(yǔ)言編寫(xiě)了車道保持算法。實(shí)驗(yàn)表明，該小車系統(tǒng)可以完成在規(guī)定賽道內(nèi)保持車道行駛，具有較好的響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：攝像頭;樹(shù)莓派;車道保持;Python

0? 引言

隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的成熟，車道保持系統(tǒng)也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。車道保持系統(tǒng)可以使車輛維持在正確既定的道路上，保證駕駛的安全性[1]。樹(shù)莓派是一款基于Debim Linux系統(tǒng)的嵌入式計(jì)算機(jī)，具有體積小，集成化程度高，擴(kuò)展性強(qiáng)，易于上手的優(yōu)點(diǎn)[2]，非常適合作為智能小車的主控板實(shí)現(xiàn)智能控制的功能。本文基于樹(shù)莓派3B+，完成小車在規(guī)定賽道內(nèi)的自動(dòng)車道保持行駛。

1? 硬件搭建

小車系統(tǒng)主要包括底盤(pán)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，攝像頭，電源。其中底盤(pán)系統(tǒng)包括4個(gè)輪子，4個(gè)電機(jī)以及底盤(pán)支架;控制系統(tǒng)包括主控板樹(shù)莓派3B+以及雙路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊L298N;電源包括移動(dòng)電源和四節(jié)干電池組成的6V電源。如圖1所示。

其中攝像頭獲取賽道信息，通過(guò)USB接口將信息傳輸?shù)綐?shù)莓派里，樹(shù)莓派里已經(jīng)編寫(xiě)燒錄好的程序會(huì)根據(jù)收到的當(dāng)前賽道信息，計(jì)算得出小車的轉(zhuǎn)向參數(shù)，并將信號(hào)傳輸給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊L298N，L298N根據(jù)模塊的輸入輸出規(guī)則，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

本文實(shí)驗(yàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM值驅(qū)動(dòng)，PWM值在[0，100]范圍內(nèi)，PWM值越接近100，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。而該電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N是雙路驅(qū)動(dòng)模塊，所以只能驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。在本文實(shí)驗(yàn)中，將同側(cè)的兩個(gè)電機(jī)串聯(lián)在一起，接收同一個(gè)信號(hào)。當(dāng)L298N輸出的兩路信號(hào)相同，則小車實(shí)現(xiàn)向前直線行駛或向后直線行駛;當(dāng)L298N輸出的兩路信號(hào)不同，則小車左右輪轉(zhuǎn)速不同從而實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向功能。小車具體轉(zhuǎn)向角的大小由左右輪差速大小決定。

2? 算法介紹

本文使用Python語(yǔ)言基于OpenCV模塊編寫(xiě)車道保持算法。算法流程如圖2所示。

該算法中，對(duì)攝像頭獲取的圖像單取第240行像素，即把攝像頭當(dāng)作線陣攝像頭使用，在經(jīng)過(guò)灰度化和二值化處理后，第400行像素只有白色點(diǎn)和黑色點(diǎn)，像素值分別為255和0。本實(shí)驗(yàn)賽道是在白色地面上鋪上黑色賽道線，所以當(dāng)檢測(cè)到像素值0時(shí)，即檢測(cè)到了賽道。對(duì)于雙車道線來(lái)說(shuō)，會(huì)有四次黑白像素值的跳變，四次跳變位置的中點(diǎn)即賽道的中點(diǎn)。小車攝像投的拍攝像素是640*480，所以圖像的中點(diǎn)位置即320，當(dāng)攝像頭安裝在小車正中央時(shí)，小車的位置即為320。則賽道的中點(diǎn)位置與320的偏差，即小車與賽道中點(diǎn)的偏差。

當(dāng)偏差過(guò)大時(shí)，說(shuō)明小車可能即將脫離賽道，此時(shí)小車停止;當(dāng)偏差較小時(shí)，為保持小車行駛的穩(wěn)定性，使小車?yán)^續(xù)直線行駛;當(dāng)偏差在一定范圍內(nèi)時(shí)，小車需要轉(zhuǎn)向，基于偏差越大，轉(zhuǎn)向角越大的經(jīng)驗(yàn)，偏差值與ΔPWM之間近似存在線性關(guān)系。由于本實(shí)驗(yàn)中，小車轉(zhuǎn)向的偏差值范圍為[100，320]，ΔPWM的范圍為[30，100]，所以有如下關(guān)系：

為防止轉(zhuǎn)彎時(shí)左右輪轉(zhuǎn)速變化較大，本文選擇的PWM差值分配方法是讓一個(gè)輪子速度不變，另一個(gè)輪子加上PWM差值[3]。當(dāng)小車左轉(zhuǎn)時(shí)，右輪加上ΔPWM;當(dāng)小車右轉(zhuǎn)時(shí)，左輪加上ΔPWM。

3? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證算法的有效性，本文進(jìn)行了小車在封閉雙車道線的實(shí)物實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)試選取的像素值的行數(shù)與小車攝像頭的俯仰角，最后完成了小車的車道保持功能。最終選取的像素為第400行像素，通過(guò)調(diào)試分析，選取較遠(yuǎn)的像素會(huì)導(dǎo)致小車響應(yīng)超前，造成提前轉(zhuǎn)彎;選取過(guò)近的像素會(huì)導(dǎo)致小策劃震蕩劇烈。選取一段視頻，利用Tracker軟件和Matlab繪制軌跡如圖3所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]張海林，羅禹貢，江青云，李克強(qiáng).基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的車道保持系統(tǒng)[J].汽車工程，2013，35（06）：526531，525.

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[3]劉漢忠，俞鵬，謝秦韜.基于CCD的循跡機(jī)器人小車模糊控制方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（09）：95-97，102.