智能車黑線識別算法及控制策略研究

0 引言
“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車大賽是由摩托羅拉旗下飛思卡爾公司贊助由高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會負(fù)責(zé)主辦的全國性的賽事，旨在加強大學(xué)生的創(chuàng)新意識、團隊合作精神和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。此項賽事專業(yè)知識涉及控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計算機、機械等多個學(xué)科，對學(xué)生的知識融合和動手能力的培養(yǎng)，對高等學(xué)校控制及汽車電子學(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高，具有良好的推動作用。
智能車競賽所使用的車模是一款帶有差速器的后輪驅(qū)動模型賽車，它由大賽組委會統(tǒng)一提供。自動控制器是以飛思卡爾16位微控制器MC9S12DGl28(S12)為核心控制單元，配合有傳感器、電機、舵機、電池以及相應(yīng)的驅(qū)動電路，它能夠自主識別路徑，控制車高速穩(wěn)定運行在跑道上。比賽要求自己設(shè)計控制系統(tǒng)及自行確定控制策略，在規(guī)定的賽道上以比賽完成的時間短者為優(yōu)勝者。賽道由白色底板和黑色的指引線組成。根據(jù)賽道的特點，比賽組委會確定了兩種尋線方案：1．光電傳感器。

2．?dāng)z像頭。
兩種尋線方案的特點如下：
(1)光電傳感器方案。通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線光照射跑道，跑道表面與中心指引線具有不同的反射強度，利用紅外接收管可以檢測到這些信息。此方案簡單易行程序調(diào)試也簡單且成本低廉，但是它受到競賽規(guī)則的一些限制(組委會要求傳感器數(shù)量不超過16個(紅外傳感器的每對發(fā)射與接收單元計為一個傳感器，CCD傳感器計為1個傳感器))，傳感器的數(shù)量不可能安放的太多，因而道路檢測的精度較低，能得到指引線的信息量也較少。若采用此方案容易引起舵機的回擺走蛇形路線。
(2)攝像頭方案。根據(jù)賽道的特點斯用黑白圖像傳感器即可滿足要求。CCD攝像頭有面陣和線陣兩種類型，它們在接口電路、輸出信號以及檢測信息等方面有著較大的區(qū)別，面陣攝像頭可以獲取前方賽道的圖像信息，而線陣CCD只能獲取賽道一條直線上的圖像信息。攝像頭方案的所能探測的道路信息量遠(yuǎn)大于光電傳感器方案，而且攝像頭也可以探測足夠遠(yuǎn)的距離以方便控制器對前方道路進(jìn)行預(yù)判。雖然此方案對控制器的要求比較高，但組委會提供的MC9S12DGl28(S12)的運算能力以及自身AD口的采樣速度完全能夠滿足攝像頭的視頻采樣和大量圖像數(shù)據(jù)的處理的要求。
本文就是在攝像頭方案的前提下，在實時的圖像數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上對圖像信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而提取賽道中心的黑色指引線，再以此來作為舵機和驅(qū)動電機的控制依據(jù)。

1 攝像頭采樣數(shù)據(jù)的特點
采用的黑白攝像頭的主要工作原理為：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點，當(dāng)掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出，見圖1。攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，則輸出就是一段連續(xù)的電壓信號，該電壓信號的高低起伏反映了該行圖像的灰度變化。當(dāng)掃描完一行，視頻信號端就輸出一個低于最低視頻信號電壓的電平(如O．3V)，并保持一段時間。這樣相當(dāng)于緊接著每行圖像信號之后會有一個電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。然后，跳過一行后(因為攝像頭是隔行掃描的)，開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的視頻信號，接著又會出現(xiàn)一段場消隱區(qū)。該區(qū)中有若干個復(fù)合消隱脈沖，其中有個遠(yuǎn)寬于(即持續(xù)時間長于)其它的消隱脈沖，稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標(biāo)志。場同步脈沖標(biāo)志著新的一場的到來，不過，場消隱區(qū)恰好跨在上一場的結(jié)尾和下一場的開始部分，到該場消隱區(qū)過去，下一場的視頻信號才真正到來。攝像頭每秒掃描25幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，故每秒掃描50場圖像。奇場時只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時則只掃描偶數(shù)行。

因MC9S12DGl28(S12)控制芯片的處理能力達(dá)不到計算機的運算速度，故采用了目前市面上分辨率最小的320X240的CMOS單板攝像頭，它同樣可以每秒掃描501幅圖像。為了擴大攝像頭的掃描距離來滿足圖像和控制處理的需要，將S12單片機的總線周期超頻到32M，這樣攝像頭每行最多能夠采集70個點。
通過實驗測得攝像頭掃描的每場圖像中有320個行信號，其中的第23行到第310行是視頻信號，即每場中有用的視頻信號有288行。第3ll行到下一場第22行是場消隱信號。在實際的圖像處理和控制過程當(dāng)中完全沒有必要對全部288行視頻信號進(jìn)行處理。由于每行能采集到80個有點像素點，所以在每場視頻信號中每隔15行對行信號采集一次，用18行視頻信號來判斷前方是直道還是彎道，從而對小車進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)向的控制。