汪正進，武風波，李國民，張文海

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

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Linux平臺下的無線視頻尋跡小車

汪正進，武風波，李國民，張文海

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

為研究如何縮小自動尋跡小車的在指定路線上的偏差率問題，采用基于Linux平臺下的嵌入式操作系統(tǒng)和無線視頻處理相結(jié)合的方法。主控單元用2塊飛凌公司的32位ARM11系列的S3C6410處理器分別作為服務(wù)器和小車的客戶端；路徑識別單元采用CMOS數(shù)字攝像頭OV9650進行攝像，通過圖像處理單元提取路徑信息；驅(qū)動控制單元采用SGS公司的L298N芯片。結(jié)果表明，通過模糊PID控制算法對舵機轉(zhuǎn)向和速度進行控制，能較好實現(xiàn)小車按預定路線平滑尋跡。為避免Wi-Fi傳輸信號不好或者說數(shù)據(jù)量過大，出現(xiàn)嚴重丟包現(xiàn)象,Wi-Fi傳輸協(xié)議上選擇基于數(shù)據(jù)流式傳輸數(shù)據(jù)的TCP協(xié)議。經(jīng)過反復測試,系統(tǒng)路徑識別性能良好，運行比較穩(wěn)定。

Linux；模糊PID控制算法；無線視頻；路徑識別

0 引 言

隨著計算機處理速度和網(wǎng)速的快速提升，再加上各種視頻處理技術(shù)的優(yōu)化發(fā)展，遠程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)開始向智能化、平臺化方向發(fā)展。目前圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展也很迅速，推動了視頻壓縮格式的多樣化，如H.264，AVS編碼格式等[1]。視頻監(jiān)控在錄像存儲、圖像傳輸?shù)确矫媸艿揭曨l壓縮技術(shù)的發(fā)展而得到穩(wěn)步提高。例如利用無線視頻技術(shù)對供暖設(shè)備進行監(jiān)視和控制，對無人職守區(qū)域進行火災(zāi)檢測和報警以及在煤礦井下利用GIS系統(tǒng)并借助Wi-Fi對人員進行定位等[2-4]。目前在操作系統(tǒng)方面，由于Linux內(nèi)核的可移植性和開源性，在系統(tǒng)開發(fā)上具有較好的實時性和穩(wěn)定性，便于實際操作[5-7]。再加上嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展，它的軟硬件是可裁剪的，它的功能強、可靠性高、體積小、功耗低等優(yōu)點。它的應(yīng)用在人們的日常生活中隨處可見，例如MP3、智能電器、車載GIS等。目前在煤礦井下，利用嵌入式系統(tǒng)搭建平臺對煤礦入井人員進行實時跟蹤監(jiān)測和定位以及對礦井有限空間Wi-Fi信號質(zhì)量進行檢測和評估等[8-10]。

無線視頻尋跡小車概念也是伴隨著無線視頻監(jiān)控和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展提出來的。目前各種尋跡小車在指定路線上運行存在一定的偏差問題。本系統(tǒng)通過飛凌公司的32位ARM11作為核心處理器，采用目前比較流行的視頻編解碼標準H.264進行編碼，再經(jīng)過Wi-Fi的TCP通信，將視頻采集到的實時數(shù)據(jù)指令等傳遞給小車服務(wù)器進行顯示，便于控制和降低無線視頻尋跡小車在指定路線上運行的偏差率問題。若今后將無線視頻尋跡小車應(yīng)用于煤礦事故等危險現(xiàn)場的探察工作，能及時準確掌握井下人員的分布和現(xiàn)場情況，提高搶險救災(zāi)的效率。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

系統(tǒng)采用2個ARM1176JZ內(nèi)核型號的S3C6410作處理器。分別作為服務(wù)器和小車客戶端，它們之間通過Wi-Fi的TCP通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)指令等的傳輸，系統(tǒng)整體流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

整個系統(tǒng)由直流電機驅(qū)動控制、路徑識別、無線傳輸、速度檢測和報警裝置組成。首先利用裝載在小車上的CMOS攝像頭OV9650(130W像素)對路面信息進行攝像[11]。CMOS攝像頭所采集的視頻信號在圖像處理過程中必須先濾除附加的控制信號，然后通過AD轉(zhuǎn)換進行采樣，變成數(shù)據(jù)信號之后進行傳輸。但攝像頭采集圖像的數(shù)據(jù)容量比較大，若直接采用無線傳輸，傳輸速率需要達到20 Mbps左右，要想滿足實時性要就，需要提供的帶寬達到幾百兆，但有了視頻壓縮技術(shù)之后，在傳輸之前利用視頻壓縮編碼來處理所采樣的視頻信號，這樣傳輸速率可以降到1～10 Mbps之間，再通過無線傳輸實時地發(fā)送到小車服務(wù)器終端，它將接收到的視頻壓縮信號進行解碼并通過液晶顯示器實時播放。其次根據(jù)CMOS攝像頭對路面攝像信息，經(jīng)圖像處理后對小車前方路徑提取信息進行識別，通過模糊自適應(yīng)PID控制算法對舵機轉(zhuǎn)向和速度進行控制，其中舵機開環(huán)控制由PWM信號輸入，讓小車按預定的軌跡平滑運動，若小車尋跡錯誤會自動發(fā)出報警提示[12-15]。

2 用戶界面及軟硬件設(shè)計

2.1 用戶界面

用戶界面分為小車服務(wù)器用戶界面和小車客戶端用戶界面，如圖2,圖3所示。它是用功能強大的Linux Qt Creator 4.7.1進行編寫。界面按鈕均為虛擬按鈕，可通過小車控制面板上的觸摸屏的點擊動作完成操作。CMOS攝像頭所采集到的視頻圖像也是在該界面上進行顯示。在優(yōu)先級上，視頻圖像顯示的優(yōu)先等級要高于按鈕界面顯示等級。整體效果上視頻打開之前能顯示虛擬按鈕，打開之后覆蓋按鈕界面顯示，可通過側(cè)面返回鍵返回按鈕界面。

圖2 小車服務(wù)器用戶界面

圖3 小車客戶端用戶界面

2.2 硬件設(shè)計

處理器采用的是ARM1176JZ內(nèi)核型號的S3C6410，它內(nèi)置有全性能的cache和MMU接口以及高速AMBA總線接口。AMBA片上總線是一個開放標準，已成為IP庫開發(fā)和SoC構(gòu)建的事實標準。它在視頻圖像處理方面相比較于其它處理器更加優(yōu)越和快捷。

驅(qū)動控制采用SGS公司的L298N電機驅(qū)動芯片它具有過電壓和過電流保護，抗干擾能力強。它可單獨控制電機，當輸入信號端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電機正轉(zhuǎn)。如果信號端IN1接低電平，IN2接高電平，電機反轉(zhuǎn)。同時還可調(diào)電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)PWM脈寬平滑調(diào)速。因此，它相對于其它電機驅(qū)動芯片而言對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的提高。

電源模塊。此系統(tǒng)的設(shè)計需要3種電壓，分別是1.8 V,3.3 V和5 V.其中5 V電壓利用美國國家半導體公司生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開關(guān)型集成高效穩(wěn)壓電路LM2576和開關(guān)穩(wěn)壓電源將220 V直接轉(zhuǎn)換，再利用低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117可以得到2個固定的3.3 V和1.8 V電壓輸出。它們?yōu)樘幚砥骷捌渫鈬鷶U展器件供電，其中S3C2410內(nèi)核使用的1.8 V電壓[16]。

2.3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用Linux 2.6.36v2嵌入式內(nèi)核，軟件應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境在Qt Creator 4.7.1上進行。根文件系統(tǒng)采用yaffs/yaffs2，它是專門針對Nand Flash開發(fā)的可讀可寫文件系統(tǒng)。軟件設(shè)計如圖4,圖5所示。

圖4 服務(wù)器程序流程圖

圖5 小車客戶端程序流程圖

在無線傳輸過程中，Wi-Fi傳輸協(xié)議上選擇基于連接的TCP協(xié)議。也就是說，在正式采集和接收數(shù)據(jù)前，必須和對方建立一種可靠的連接。一個TCP通信協(xié)議連接必須要經(jīng)過三次“握手”才能建立起來，它的過程相當復雜，但TCP通信協(xié)議適合傳輸大量數(shù)據(jù)。

在路徑識別模塊中，舵機轉(zhuǎn)向控制采用模糊自適應(yīng)PID控制算法來進行優(yōu)化。模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)由一個模糊控制環(huán)節(jié)和一個PID控制器組成。PID控制器表達式為

(1)

式中 f(k)為PID控制器輸出的控制量；e(k)為角度偏差信號；Km為比例 ；Kn為積分系數(shù)，它的作用使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差得到消除；Ks為微分系數(shù)，它的作用是使系統(tǒng)的動態(tài)特性得到改善。

采集數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理后，賽道的路徑基本信息就會展現(xiàn)出來。但要判斷當前賽道是直道還是彎道。需要先確定2個點，即尋跡的有效起點和有效終點[14-15]。有效起點即圖像數(shù)據(jù)最近位置的第一個有效行，黑線的中心位置，把它定義為A(X0,Y0)點；有效終點即圖像數(shù)據(jù)最遠位置的第一個有效行，黑線的中心位置，把它定義為B(X1,Y1)點。根據(jù)2點確定一條直線，就能確定斜率。將它設(shè)置為偏離圖像中心位置的角度偏差信號。將偏差信號分為2路，一路送入PID控制器，另一路和它的變化率一起送入模糊控制環(huán)節(jié)，根據(jù)公式(1)得到參數(shù)校正值ΔKm,ΔKn，ΔKs，自動校正初始的PID參數(shù)Km，Kn,Ks，然后用校正后的參數(shù)輸入PID控制器得到控制量，作為速度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)給定值。這樣就可以降低舵機轉(zhuǎn)向滯后的機率而控制舵機轉(zhuǎn)向的角度。再利用舵機開環(huán)控制(給定的PWM信號值與舵機的輸出轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系)，很好地實現(xiàn)舵機的轉(zhuǎn)向。這樣可以保證小車在直道進入彎道之前提前轉(zhuǎn)彎，實現(xiàn)小車按預定路線平滑尋跡。

3 測試結(jié)果及誤差分析

根據(jù)反復測驗，小車在直道上行駛速度不低于0.5m/s；小車在彎道轉(zhuǎn)彎時，與指定路線上的偏差不超過50mm.小車在指定路線上運行狀況測試表,見表1.

表1 小車在指定路線上運行狀況測試表Tab.1 Car running test on the specified route

小車在彎道轉(zhuǎn)彎時與指定路線上運行所造成的誤差是在視頻圖像分析處理時通過圖像亮度采用兩點預定路線提取黑白線信息，從而導致路線容易跑出攝像頭攝像范圍，再加上視頻在傳輸過程的延時導致小車尋跡效果更差。為了降低小車尋跡偏差，結(jié)合圖像亮度提取黑白線算法時對光線要求高，在小車前端安裝了一個前方照明燈，這樣會消除對光強度不均勻?qū)π≤囋趯ほE線路上所造成的影響。其次利用圖像特征處理提取技術(shù)，提出采用三點預定路線來優(yōu)化圖像處理算法，結(jié)合模糊自適應(yīng)PID控制算法可計算出預定路線實際尋跡軌跡，擺脫了傳統(tǒng)的光電二極管尋跡或者紅外線尋跡的缺陷。這樣它的道路參數(shù)多、檢測范圍寬、前瞻距離遠的優(yōu)點，使得尋跡小車的速度更加快捷和準確。

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)在彩色視頻圖像當中提取黑白線算法優(yōu)化時，需要考慮視頻傳輸延遲的影響。為提高硬件寄存器工作效率，采用減少不必要的內(nèi)核進程的運行和對驅(qū)動進行優(yōu)化。經(jīng)過反復測試，本系統(tǒng)在白底黑線的跑道上鋪設(shè)一定寬度任意弧度的黑線，小車能快速地沿此黑色引導線實現(xiàn)自主尋跡，在彎道轉(zhuǎn)彎時偏差較小，具有穩(wěn)態(tài)誤差小和控制響應(yīng)時間短的特點，有較高的應(yīng)用價值。

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Wireless video tracing car under Linux system

WANG Zheng-jin,WU Feng-bo,LI Guo-min,ZHANG Wen-hai

(CollegeofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

To study how to reduce the car’s automatic tracking deviation rate on the specified routes,we use a method combined embedded operating systems with wireless video processing based on Linux.The main control unit uses 2 pieces of Forlinx’s 32-bit ARM11 series S3C6410 processors as main control unit of server and client,respectively.The path identification unit adopts the CMOS digital camera OV9650 to obtain the path information through the image processing unit.The drive control adopts SGS’s L298N chip.The results show that it’s better to realize the smooth tracing car at predetermined route through the fuzzy-PID control algorithm to control steering gear and speed.We select the TCP protocol based on transmission data of data streaming at the Wi-Fi transfer protocol.After repeated testing,the system’s performance of path recognition is good and operation is stable.

Linux system；fuzzy-PID control algorithm；wireless video；path identification

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0118

1672-9315(2015)01-0105-05

2014-10-20責任編輯:高 佳

陜西省科技攻關(guān)項目(209K08-36)

汪正進(1981-)，男，安徽廬江人，工程師，E-mail:jin7-8@163.com

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