王玲玲 梁 勇

（海軍航空工程學(xué)院 煙臺(tái) 264000）

基于攝像頭的自主循跡智能車設(shè)計(jì)?

王玲玲 梁 勇

（海軍航空工程學(xué)院 煙臺(tái) 264000）

攝像頭作為路徑識(shí)別傳感器在智能機(jī)器人自主路徑識(shí)別中具有廣泛的應(yīng)用。論文選取數(shù)字CMOS圖像傳感器OV7620，將其安裝在智能車系統(tǒng)中完成對(duì)黑白路徑的識(shí)別，并從機(jī)械安裝、電路連接、圖像采集、路徑提取這四個(gè)方面給出實(shí)際設(shè)計(jì)的原理與方法。實(shí)際調(diào)試表明，文中所提方法可以自主完成一般道路的路徑識(shí)別。

攝像頭；智能車；OV7620；路徑識(shí)別

1 引言

智能車又叫做輪式移動(dòng)機(jī)器人，是通過(guò)自主路徑識(shí)別，控制其速度、轉(zhuǎn)向、壁障等操作的一種智能機(jī)器人。本系統(tǒng)需要識(shí)別的路徑為黑白賽道，即在道路寬度不小于45cm白色板兩側(cè)，貼有寬度為25mm±5的黑色線，并將道路整體鋪設(shè)在黑色或深藍(lán)色幕布上［1］。智能車通過(guò)攝像頭獲取路徑圖像，并由程序提取出道路的黑線信息，然后由單片機(jī)做出控制決策，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本文就攝像頭傳感器的基本原理、機(jī)械安裝、電路連接、圖像采集、路徑提取這五個(gè)方面做出闡述。

2 攝像頭傳感器的基本原理

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感器、PCB板、DSP芯片組成，如圖1所示。當(dāng)被攝物體反射光線，傳播到鏡頭，經(jīng)鏡頭聚焦到圖像傳感器上，圖像傳感器根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，經(jīng)周期性放電，產(chǎn)生代表一幅幅畫(huà)面的電信號(hào)，此電信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)，再送入單片機(jī)中進(jìn)行加工處理。

圖1 攝像頭基本原理示意圖

其中，圖像傳感器普遍采用CCD或COMS這兩種器件。由于CCD一般需要12V供電，而整個(gè)系統(tǒng)的供電電壓為7.2V，因此為了減小供電電路的復(fù)雜性，使用CMOS攝像頭。并且為了減少單片機(jī)對(duì)A/D的編程，因此采用數(shù)字CMOS攝像頭，并選取其中的OV7620作為采集路徑的傳感器。OV7620的有效像素單元為640（水平方向）×480（垂直方向）；幀率30FPS；支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式；內(nèi)置10位雙通道A/D轉(zhuǎn)換器，輸出8位圖像數(shù)據(jù)；5V供電［2］。

3 攝像頭傳感器的連接

對(duì)只需要識(shí)別黑白道路信息來(lái)說(shuō)，可選擇OV7620的默認(rèn)配置［2］，如此與圖像采集相關(guān)的引腳即為圖2所示。其中，Y0-Y7引腳為攝像頭8位像素輸出；VSYN為場(chǎng)中斷信號(hào)；HREF為行中斷信號(hào)；PCLK為像素中斷信號(hào)。

圖2 攝像頭與單片機(jī)連接示意圖

4 攝像頭傳感器的安裝

圖3所示為攝像頭在智能車上的示意位置，在安裝時(shí)，要考慮攝像頭距離轉(zhuǎn)向后的位置D、高度H和俯仰角θ。其中D影響了前瞻和整車的質(zhì)心。D越大，前瞻越近，質(zhì)心靠后（驅(qū)動(dòng)輪）；反之D越小，前瞻越遠(yuǎn)，易丟失近處黑線。因此支架的位置應(yīng)盡量安裝在車體中間靠轉(zhuǎn)向輪的地方。此外，H即攝像頭的架設(shè)高度一定要適宜。過(guò)高會(huì)導(dǎo)致小車的視野過(guò)大，看到的黑線變得太細(xì)，并且抬高車體的重心，使其快速過(guò)彎時(shí)容易翻車；架設(shè)太低又會(huì)影響前瞻，帶來(lái)反光的問(wèn)題，影響采樣。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值一般情況H取25cm左右。俯仰角θ同樣影響了前瞻距離，一般情況，前瞻取70cm～150cm為宜。最后，安裝攝像頭的底座和支桿應(yīng)使用剛度大、質(zhì)量輕的材料，以防車體行進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生晃動(dòng)。

圖3 攝像頭的安裝示意簡(jiǎn)圖

5 圖像采集子程序

在與攝像頭時(shí)序相關(guān)的三個(gè)信號(hào)關(guān)系中，如圖4所示，當(dāng)VSYN為高電平時(shí)，說(shuō)明新的一幀圖像即將要傳出；當(dāng)HREF為高電平時(shí)，表示新的一行要傳出；此時(shí)如果捕捉到像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK為高，此即為當(dāng)前圖像的第一個(gè)像素點(diǎn)，之后遇到一個(gè)像素時(shí)鐘就接受一次數(shù)據(jù)，直到該行全部接收完。

圖4 OV7620攝像頭時(shí)序信號(hào)

但是由于像素中斷信號(hào)PCLK的頻率過(guò)快（PCLK的周期只有73ns），對(duì)于XS128穩(wěn)定的總線時(shí)鐘來(lái)說(shuō)，不易捕捉。因此可以在捕捉到行信號(hào)HREF后，即開(kāi)始讀取每行的像素點(diǎn)。對(duì)于48M的總線時(shí)鐘來(lái)說(shuō)，最快可以捕捉約400個(gè)像素點(diǎn)。但過(guò)密的點(diǎn)需要單片機(jī)大量的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此選取每行采集120個(gè)像素點(diǎn)，采集的方法即發(fā)生行中斷后，通過(guò)語(yǔ)句延時(shí)進(jìn)行采集［3～4］。

對(duì)于采集的行數(shù)，OV7620每場(chǎng)共240行數(shù)據(jù)，但是實(shí)際并不需要這么多行，在保證前瞻和當(dāng)前路徑信息的前提下，為了減小單片機(jī)的處理時(shí)間，一般選擇在23行～310行之間，均勻選擇其中的40行數(shù)據(jù)。

6 圖像處理子程序

6.1 二值化

攝像頭采集回的是灰度信息，分0～255個(gè)級(jí)別，0為全黑，255為全白。為了進(jìn)行黑線提取時(shí)簡(jiǎn)便易行，通常會(huì)進(jìn)行二值化處理。即確定一個(gè)閾值，大于此閾值則認(rèn)為是白色，賦0或1；小于此閾值認(rèn)為是黑色，賦1或0。這樣原來(lái)256個(gè)級(jí)別的灰度就變成只有0、1的二值信息了。閾值的設(shè)定可以是固定的一個(gè)值，一般認(rèn)為在100～200之間［5～6］。

6.2 圖像特征提取

經(jīng)過(guò)圖像采集后，存放圖像數(shù)據(jù)的數(shù)組中有了40行×120列像素點(diǎn)，如果攝像頭為正向安裝，那么最遠(yuǎn)處為第1行，靠近車為第40行；如果攝像頭為反向安裝，那么最遠(yuǎn)處為第40行，靠近車為第1行。在進(jìn)行圖像特征提取時(shí)，一般可以先處理離車最近的那幾行（一般為10行左右），提取到這幾行的中線后，以此為基準(zhǔn)，在一定的搜索范圍內(nèi)提取剩下那些行的中線用以判斷路徑方向；或者在前瞻合適的情況下（不能過(guò)遠(yuǎn)），先處理遠(yuǎn)離小車的那幾行（一般為3～5行），用以判斷前方的路徑趨勢(shì)，而后同樣在一定的搜索范圍內(nèi)提取剩下那些行的中線，用以確定路徑偏離的距離。本文以后者為例進(jìn)行闡述。

在黑線提取中，由于黑線的灰度值遠(yuǎn)小于白色區(qū)域，因此黑線到白線的過(guò)渡時(shí)必然有跳變，所以通?？梢圆捎锰兎催吘墮z測(cè)法進(jìn)行識(shí)別。以跳邊法的思想選取離車較遠(yuǎn)的3行進(jìn)行中線提取，提取一個(gè)中間位置作為剩下行數(shù)的基準(zhǔn)位置。流程圖如圖5所示。

圖5 跳變法確定基準(zhǔn)位置

利用前幾行確定圖像中心基準(zhǔn)后，后面若干行的處理就可以基準(zhǔn)為中心，確定一定的搜索范圍后，進(jìn)行黑線提取，此即為重心法［7～10］。

圖6 重心法確定后若干行中心位置

在重心法的流程圖中，可以看出，一旦前方路線的基準(zhǔn)確定，后面37行進(jìn)行提中線時(shí)如果依然出現(xiàn)了大量黑色的情況，就認(rèn)為這一行是雜波，是要進(jìn)行濾波處理的。這就要求對(duì)先前3行的基準(zhǔn)位置嚴(yán)格確定。所以這種以前幾行為基準(zhǔn)，后若干行按一定搜索范圍進(jìn)行掃描的算，對(duì)前幾行的實(shí)際調(diào)試尤為關(guān)鍵。

圖7 根據(jù)中心位置確定路徑信息

7 結(jié)語(yǔ)

本文從硬件連線、機(jī)械安裝、路徑信息采集、黑線提取這幾個(gè)方面闡述系統(tǒng)以攝像頭為傳感器的智能車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別路徑并跟蹤黑線運(yùn)行。通過(guò)實(shí)際調(diào)試表明，上述方法可以應(yīng)用在直道、彎道、8字形等一般性道路上。

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Design of Intelligent Vehical with Independent Tracking Ability Based on Camera

WANG LinglingLIANG Yong
（Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264000）

Camera has been widely used in intelligent robot to recognize the path independently.In this paper，OV7620，which having digital CMOS image sensor，was selected to be installed in the system of smart car to recognize the black and white path.And principle and method were proposed to realize practical design from the aspects of mechanical installation，circuit connection，image acquisition，path extraction.Finally，it was shown from practical debugging that this method could accomplish the path identification for general path independently.

camera，intelligent vehicle，OV7620，path recognition

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.048

Class Number TP273

2017年5月8日，

2017年6月27日

王玲玲，女，碩士，講師，研究方向：控制系統(tǒng)仿真與實(shí)現(xiàn)。梁勇，男，博士，副教授，研究方向：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。