摘 ?要：針對(duì)智能小車自動(dòng)駕駛過程中存在的諸多問題，設(shè)計(jì)與開發(fā)了基于Android的智能小車控制系統(tǒng)。以Android端控制系統(tǒng)作為上位機(jī)，與搭載在智能小車主體上的主控平臺(tái)進(jìn)行通信連接，使用攝像頭采集圖像，實(shí)現(xiàn)在有效地范圍內(nèi)進(jìn)行高效的環(huán)境視頻傳輸。在Android端優(yōu)化圖像識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)了智能小車路徑識(shí)別、自主巡線、自主避障、平穩(wěn)快速的行駛等功能，同時(shí)還能接受Android端界面的手動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：Android;智能小車;控制系統(tǒng);WiFi;攝像頭

中圖分類號(hào)：TP181 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design and Development of Intelligent Car Control System Software based on Android

LIU Jianying

（School of Information Technology， Dalian Vocational Technology College， Dalian 116035， China）

s-ill-y@163.com

Abstract： Intelligent car control system based on Android is designed and developed for automatic driving. The Android terminal control system is used as the upper computer， and is connected with the main control platform on the main body of intelligent car. The camera is used to capture images， achieving efficient environmental video transmission in an effective range. Optimizing image recognition algorithm in Android realizes the functions of intelligent car such as path identification， autonomous line inspection， autonomous obstacle avoidance， stable and fast driving and manual control from Android interface.

Keywords： android; intelligent car; control system; WiFi; camera

1 ? 引言（Introduction）

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和人工智能等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，智能技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，智能產(chǎn)品也越來越受到人們的青睞。智能小車是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等多功能于一體的綜合系統(tǒng)[1]，是智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它在軍事、民用、太空開發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[2]。

智能小車與一般所說的自動(dòng)駕駛不盡相同，它指的是利用多種傳感器和智能道路技術(shù)實(shí)現(xiàn)的小車自動(dòng)駕駛[3]。

本基于Android的智能小車控制系統(tǒng)主控平臺(tái)采用Cortex-A9核心板，上位機(jī)采用開源的Android應(yīng)用控制系統(tǒng)，使用攝像頭采集圖像、進(jìn)行信息處理，實(shí)現(xiàn)在有效地范圍內(nèi)進(jìn)行高效的環(huán)境視頻傳輸。本智能小車具有路徑識(shí)別、自主巡線、自主避障等功能，并可通過手機(jī)APP與智能小車進(jìn)行UI交互操控，是一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景的智能車技術(shù)。

2 ? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)（Overall design of the system）

Android（安卓）是一種基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)[4]，特點(diǎn)是自由且源代碼開放，Android主要應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)和平板電腦?，F(xiàn)在Android在全球的市場(chǎng)份額已經(jīng)高達(dá)87%，全世界采用Android的設(shè)備數(shù)量已經(jīng)超過百億臺(tái)。

基于Android的智能小車控制系統(tǒng)由控制器數(shù)據(jù)接收模塊、避障模塊、WSN無線傳感網(wǎng)模塊、主控平臺(tái)、攝像頭模塊、Wifi通信模塊、通信接口及上位機(jī)智能小車控制系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

智能小車可以作為一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體，但是在作為一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了一些問題，并不能流暢的達(dá)到預(yù)想效果，而在加入上位機(jī)智能小車控制系統(tǒng)Android端后，一部分算法在Android端運(yùn)行，優(yōu)化了圖像識(shí)別算法[5]。在Android端控制、下發(fā)命令、完成參數(shù)反饋，可以使得智能小車有兩個(gè)“大腦”，滿足智能控制的同時(shí)，亦可手動(dòng)操作[6]。

本智能小車Android端控制系統(tǒng)作為上位機(jī)，與搭載在智能小車主體上的主控平臺(tái)進(jìn)行通信連接。主控平臺(tái)采用Cortex-A9核心板，主控平臺(tái)的視頻采集端口連接攝像頭模塊，接收攝像頭模塊采集的視頻信息;主控平臺(tái)的信息采集端口連接WSN無線傳感網(wǎng)模塊，用以采集環(huán)境狀態(tài)信息和智能小車狀態(tài)信息。

本智能小車Android端控制系統(tǒng)使用HTTP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信[7]，獲取攝像頭數(shù)據(jù)，進(jìn)行視頻播放。智能小車使用Wi-Fi模塊和手機(jī)連接，通過局域網(wǎng)的方式進(jìn)行通信，主控平臺(tái)將環(huán)境狀態(tài)信息和智能小車狀態(tài)信息發(fā)送給上位機(jī)，由上位機(jī)保存并提取特定的智能小車環(huán)境狀態(tài)信息及其行車狀態(tài)信息，將獲取到的數(shù)據(jù)在智能小車Android端控制系統(tǒng)APP界面上顯示出來，并根據(jù)上述信息判斷是否適宜智能小車?yán)^續(xù)行進(jìn)。系統(tǒng)使用的圖像識(shí)別技術(shù)采用TensorFlow的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

3 ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（The design of system software）

軟件控制是智能小車控制的核心，通過軟件實(shí)現(xiàn)圖像處理、控制智能小車平穩(wěn)高速自動(dòng)巡線。根據(jù)業(yè)務(wù)功能分析，系統(tǒng)功能主要?jiǎng)澐譃樗膫€(gè)模塊：連接模塊、操作模塊、波形傳感模塊、參數(shù)設(shè)置模塊。系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。

基于Android的智能小車控制系統(tǒng)的主要程序如下。

privateBroadcastReceiverbroadcastReceiver = new BroadcastReceiver（） {

@RequiresApi（api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP）

@Override

public void onReceive（Context context， Intent intent） {

String action = intent.getAction（）;

switch （action）{

caseWifiManager.NETWORK_STATE_CHANGED_ACTION：

Parcelableparcelable = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? intent.getParcelableExtra（WifiManager.EXTRA_NETWORK_INFO）;

if（null ！= parcelable）{

NetworkInfonetworkInfo = （NetworkInfo） parcelable;

NetworkInfo.State state = networkInfo.getState（）;

if（state == NetworkInfo.State.CONNECTED）{

WifiInfowifiInfo = wifiTool.wifiManager.getConnectionInfo（）;

SharedData.ssid = wifiInfo.getSSID（）;

adapter.notifyDataSetChanged（）;

}else if（state == NetworkInfo.State.DISCONNECTED）{

SharedData.ssid = null;

adapter.notifyDataSetChanged（）;

}

}

break;

caseWifiManager.SCAN_RESULTS_AVAILABLE_ACTION：

updateWifiList（）;

break;

}

}

};

4 ? 軟件開發(fā)（Software development）

本智能小車控制系統(tǒng)是一個(gè)基于Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)APP。Android應(yīng)用控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)對(duì)圖像進(jìn)行二次處理。智能小車主控平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)圖像進(jìn)行一次處理，如果處理結(jié)果模糊則交由Android應(yīng)用進(jìn)行二次處理。Android應(yīng)用控制系統(tǒng)與智能小車主控平臺(tái)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的控制與狀態(tài)顯示，并且可以進(jìn)行UI交互操控。

4.1 ? 設(shè)備連接

在Android操作系統(tǒng)中點(diǎn)擊智能小車控制APP，進(jìn)入程序后，第一個(gè)界面為設(shè)備連接界面，可以選擇通過兩種不同的模式來連接智能小車，分別是WiFi連接和藍(lán)牙連接。設(shè)備連接界面如圖3所示。

4.2 ? 操作界面

智能小車控制APP軟件系統(tǒng)的操作界面中分為八個(gè)操作區(qū)域。操作界面如圖4所示。八個(gè)操作區(qū)域分別為：界面選擇區(qū)域、表盤模塊、搖桿模塊、視頻界面、行走模式、智能小車姿態(tài)、ccd距離模塊、控制指令顯示區(qū)域。

八個(gè)操作區(qū)域的功能如下：

（1）界面選擇：包含操作、顯示波形傳感、參數(shù)設(shè)置三個(gè)界面，可以通過單擊“操作”“顯示”“設(shè)置”三個(gè)按鈕在界面之間來回切換。

（2）表盤模塊：表盤顯示智能小車的實(shí)時(shí)電量百分比。

（3）搖桿模塊：用來操控智能小車的運(yùn)動(dòng)方向。

（4）視頻界面：視頻界面顯示智能小車攝像頭實(shí)時(shí)采集的圖像;單擊界面可以抓取圖像;在模塊內(nèi)手勢(shì)滑動(dòng)也可以控制攝像頭上下左右移動(dòng)，調(diào)整攝像頭的角度。

（5）行走模式：行走模式分為“遙控模式”“巡線模式”“避障模式”三種模式。遙控模式為通過手機(jī)控制智能小車行走;巡線模式為智能小車沿預(yù)定路線循環(huán)行走;避障模式為開啟感知模塊，當(dāng)智能小車前行方向有障礙物，智能小車自主選擇避讓障礙物繼續(xù)前行。

（6）智能小車姿態(tài)：區(qū)域模塊中的正方形隨著智能小車車身的傾斜而傾斜，因此，正方形可以顯示智能小車當(dāng)前車身的狀態(tài)和傾斜角度。

（7）ccd距離模塊：ccd是巡線感應(yīng)器，ccd距離模塊會(huì)隨時(shí)查看到ccd距離線路的偏離情況。

（8）控制指令顯示：此模塊顯示手機(jī)對(duì)智能小車下發(fā)命令的十六進(jìn)制元數(shù)據(jù)。

4.3 ? 顯示波形傳感

在智能小車控制APP軟件系統(tǒng)的界面選擇區(qū)域，點(diǎn)擊“顯示”按鈕，在界面右側(cè)選擇相應(yīng)的傳感點(diǎn)，左側(cè)波形圖中會(huì)繪測(cè)出折線的波形圖，顯示各個(gè)傳感點(diǎn)的模型變化。顯示波形傳感界面如圖5所示。

4.4 ? 參數(shù)設(shè)置

為使得智能小車能夠平穩(wěn)快速的行駛，本系統(tǒng)采用了增量型PID控制策略。PID控制算法具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、調(diào)整方便的特點(diǎn)[8]。

點(diǎn)擊智能小車控制APP軟件系統(tǒng)界面選擇區(qū)域的“設(shè)置”按鈕，打開智能小車參數(shù)設(shè)置界面，可以分別設(shè)置智能小車的“直立環(huán)”“速度環(huán)”“巡線環(huán)”“避障環(huán)”的P、I、D三個(gè)參數(shù)。參數(shù)設(shè)置界面如圖6所示。

P代表比例參數(shù)：控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

I代表積分參數(shù)：積分參數(shù)用來消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，系統(tǒng)中有一個(gè)積分時(shí)間常數(shù)，是積分參數(shù)的倒數(shù)，積分參數(shù)越大，積分環(huán)節(jié)作用影響越明顯。

D代表微分參數(shù)：微分的作用是“阻尼”，也就是根據(jù)現(xiàn)在的趨勢(shì)去判斷未來，進(jìn)而來阻礙未來可能出現(xiàn)過調(diào)的趨勢(shì)，相當(dāng)于是提前點(diǎn)踩剎車，但是又不全踩剎車。

“讀取”按鈕：點(diǎn)擊“讀取”按鈕，讀取智能小車的當(dāng)前設(shè)置值，并顯示在界面當(dāng)中。

“寫入”按鈕：點(diǎn)擊“寫入”按鈕，將當(dāng)前界面設(shè)置的參數(shù)保存，并下發(fā)參數(shù)至智能小車主控平臺(tái)中。

“恢復(fù)默認(rèn)”按鈕：點(diǎn)擊“恢復(fù)默認(rèn)”按鈕，讀取智能小車的出廠默認(rèn)參數(shù)值并顯示在界面當(dāng)中，同時(shí)下發(fā)參數(shù)至智能小車的主控平臺(tái)中。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

基于Android的智能小車控制系統(tǒng)融合了圖像識(shí)別、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、Android應(yīng)用技術(shù)等多個(gè)技術(shù)方向。智能小車在Android端優(yōu)化圖像識(shí)別算法，使用攝像頭采集圖像，可以在有效地范圍內(nèi)進(jìn)行高效的環(huán)境視頻傳輸。Android端應(yīng)用可對(duì)模糊圖像進(jìn)行二次處理，可以通過Android端對(duì)智能小車進(jìn)行自動(dòng)控制，智能小車可以自行前行、路徑識(shí)別、巡線、避障，可以平穩(wěn)快速的行駛，同時(shí)還能接受Android端界面的手動(dòng)控制。本研究對(duì)小車自動(dòng)駕駛及智能交通系統(tǒng)的發(fā)展具有促進(jìn)作用，可應(yīng)用于城市建設(shè)的各個(gè)方面。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 楚士杰，徐子豪.智能車設(shè)計(jì)與發(fā)展研究[J].通信電源技術(shù)，2020（4）：48-49;51.

[2] 侯文靜，楊廣東.基于DSP的智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)與信息化，2020（5）：234-235;239.

[3] 鄭亞利，古訓(xùn).基于CMOS攝像頭循跡的智能車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].貴陽學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019（1）：100-104.

[4] 王春東，楊宏，宮良一.基于Android平臺(tái)的視頻監(jiān)控智能車設(shè)計(jì)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2017（1）：72-75.

[5] 魏溪含，涂銘，張修鵬.深度學(xué)習(xí)與圖像識(shí)別原理與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2019.

[6] 馬鑫源，李燕燕，梁雅雯，等.四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及可視化仿真[J].軟件工程，2020（2）：29-33.

[7] 黃姝娟，劉萍萍，白小軍，等.基于STM32的智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2018（9）：185-188;193.

[8] CAI S， HUANG Y， YE B， et al. Dynamic illumination optical flow computing for sensing multiple mobile robots from a drone[J]. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics： Systems， 2018， 48（8）： 1370-1382.

作者簡(jiǎn)介：

劉劍英（1979-），女，碩士，副教授/高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：嵌入式技術(shù)，軟件開發(fā).