攝像頭黑線識(shí)別算法和賽車行駛控制策略

　　引言

　　按照第一屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”智能車大賽比賽規(guī)則要求：使用大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的競(jìng)賽車模，采用飛思卡爾16 位微控制器MC9S12DG128 作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)采集處理、控制算法及執(zhí)行、動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制等，以比賽完成時(shí)間短者為優(yōu)勝者。其中賽道為在白色底板上鋪設(shè)黑色引導(dǎo)線。根據(jù)賽道特點(diǎn)，主要有兩種尋線設(shè)計(jì)方案：一、光電傳感器方案;二、攝像頭方案。

　　這兩種方案各有特點(diǎn)：其中光電傳感器構(gòu)成“線型檢測(cè)陣列”的方案簡(jiǎn)單易行，但是將其應(yīng)用于智能車競(jìng)賽中仍有一些局限性。例如，由于受比賽規(guī)則限制(傳感器數(shù)量不超過16 個(gè)(紅外傳感器的每對(duì)發(fā)射與接受單元計(jì)為1 個(gè)傳感器，CCD 傳感器記為1 個(gè)傳感器))， 光電管的數(shù)量不可能太多，從而單個(gè)線型檢測(cè)陣列所能確定的指引線信息較少。所以若是采用此方案，會(huì)導(dǎo)致尋線精度不夠高，在接下來的舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制的時(shí)候產(chǎn)生直道蛇行或者彎道舵機(jī)回?cái)[。此外，光電線型檢測(cè)陣列的探測(cè)距離較短，而比賽又限制了整個(gè)車體系統(tǒng)的長(zhǎng)度，這樣，其對(duì)前方路況的預(yù)判斷距離很有限。車輛行進(jìn)速度較快時(shí)，若能預(yù)判前方一定距離的路況，則有助于智能車對(duì)前方突然出現(xiàn)的路況變化(如轉(zhuǎn)彎)作及時(shí)的應(yīng)對(duì)處理;否則，車輛可能會(huì)偏離指引線較遠(yuǎn)，甚或沖出賽道。

　　基于前述對(duì)“線型檢測(cè)陣列”尋線能力局限性的考慮，我們選擇采用攝像頭作為尋線傳感器。這是因?yàn)?，一方?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/攝像頭">攝像頭所能探測(cè)的賽道信息遠(yuǎn)多于“線型檢測(cè)陣列”探測(cè)的，而且攝像頭也有足夠遠(yuǎn)的探測(cè)距離以方便對(duì)前方路況進(jìn)行預(yù)判。另一方面，比賽規(guī)定使用的Freescale16 位單片機(jī)MC9S12DG128 的運(yùn)算速度和自身AD 口的采樣速度，能夠適應(yīng)對(duì)黑白低線數(shù)攝像頭的有效視頻采樣和對(duì)大量圖像數(shù)據(jù)的處理。

　　本文就是在攝像頭方案的實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)獲得的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取賽道中的引導(dǎo)黑線位置，從而以此作為舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制依據(jù)。

　　圖像數(shù)據(jù)信息特點(diǎn)

　　攝像頭的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號(hào)端輸出。具體而言(參見圖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)的電壓視頻信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出低于最低視頻信號(hào)電壓的電平(如0.3V)，并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)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?yàn)閿z像頭是隔行掃描的方式)，開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場(chǎng)的視頻信號(hào)，接著就會(huì)出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱區(qū)。此區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖(簡(jiǎn)稱消隱脈沖)，在這些消隱脈沖中，有個(gè)脈沖，它遠(yuǎn)寬于(即持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于)其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場(chǎng)同步脈沖，它是掃描換場(chǎng)的標(biāo)志。場(chǎng)同步脈沖標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來，不過，場(chǎng)消隱區(qū)恰好跨在上一場(chǎng)的結(jié)尾部分和下一場(chǎng)的開始部分，得等場(chǎng)消隱區(qū)過去，下一場(chǎng)的視頻信號(hào)才真正到來。攝像頭每秒掃描25 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場(chǎng)，先奇場(chǎng)后偶場(chǎng)，故每秒掃描50 場(chǎng)圖像。奇場(chǎng)時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場(chǎng)時(shí)則只掃描偶數(shù)行。

　　圖1 攝像頭視頻信號(hào)