基于图像传感器的智能循迹小车研究与实现

薄晓宁

摘 要：随着经济的快速发展，车辆的数量大幅提升，而交通事故发生的频率也随之增加，为降低交通事故发生的概率，保证人民群众的生命安全，智能化交通系统设计思路出现并引起广泛关注，而以图像传感器为基础的智能循迹小车是智能化交通系统设计的重要方面。在此背景下，本文针对基于图像传感器的智能循迹小车研究与实现问题展开研究，为智能交通系统的设计工作提供参考。

关键词：图像传感器；智能循迹小车；研究与实现

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.111

0 前言

循迹即小车在白色地板上形式的过程中，可以通过红外探测方法，在感知黑色和白色地板对光线反射系数差异的基础上，自动、智能的在黑色线路中行驶的技术，但由于在现实环境中，白色地板和黑色线路的反射光线会受到多方面因素的影响，红外探测的难度大幅提升，所以要将对环境判断更加准确的图像传感器应用于智能循迹小车中。

1 基于图像传感器的智能循迹小车实现的基本原理分析

由于图像传感器的分辨率相比传统红外探测方法更加理想，所以以图像传感器为基础进行智能循迹小车设计，可以更理想的保证循迹运行效果。在图像传感器应用的过程中，智能小车一方面通过红外光电管和摄像头对前方的道路颜色进行采样，结合采样数据识别具体的路径，在此过程中为使检测精度达到预期效果，光电管的安装位置与地面之间的距离应得到较严格的控制，但两者间的距离缩减或使高速运行的智能小车过弯能力下降，此时利用摄像头在前瞻距离方面的优势可以弥补光电管的缺陷，完成过弯、抄近道等智能操作[1]。另外，面阵式布局的摄像头在图像采集的过程中所获取的数据点多达上千，使智能小车判断车道的依据更加丰富，进一步提升了小车运行的安全性。但由于摄像头数据处理难度大，而且图像采集效果受道路环境的影响非常大，所以在光电管和摄像头结合应用的过程中，仍存在图像处理等问题。

为解决上述问题，在基于图像传感器的智能循迹小车设计的过程中，另一方面要对图像处理功能进行优化，考虑到大量数据在存储过程中出现的冗余会浪费一定的存储空间，提升微处理器的处理任务，所以在处理的过程中应先对采集的数据进行压缩，在减少存储资源利用量的同时防止非有效信息对采集信息的干扰[2]。另外，考虑到循迹的本质是按照目标引导线运行，所以在图像处理的过程中，重点工作是在滤除杂点的基础上，识别黑色轨道，并在图像中标注除具体轨道的位置，为智能小车运行提供依据。

通过以上图像采集和处理技术，可以实现智能小车按轨迹安全、快速、灵活的运行，这也是以图像传感器为基础的智能轨迹小车实现的基本原理。

2 基于图像传感器的智能循迹小车研究

2.1 基于图像传感器的智能循迹小车硬件

基于图像传感器的智能循迹小车硬件主要包括以下部分：首先承担接收赛道信息、校车运行速度等信息，并对信息进行处理，确定小车控制具体方案，并通过舵机和直流电机对小车进行转向、转台调整控制的核心控制模块。其次，由转向舵机、电机驱动和图像采集电路等子模块构成的电源管理模块，此模块的硬件设备性能直接关系到智能小车运行的持久性。再次，实现对智能小车运行状态进行直接调整的电机驱动模块，在智能小车运行的过程中，微控制器是控制信号发出的主要结构，但实际中大部分微控制器的工作电压并不能对大功率负载实现驱动，所以通常在电机和控制器之间设计驱动电路，保证单片机功能的实现[3]。然后，对智能小车行车速度进行调节，保证小车在直道和弯道中均处于最佳大运行状态的车速检测模块，目前，主要应用霍尔传感器、光电传感器和光电编码器实现，在具体选择的过程中，结合具体传感器的特点进行灵活的选择。另外，直接实现舵机转向的舵机转向模块，笔者认为将MC9S12XS128中的PWM2和PWM3级联基础上利用PWM2进行脉冲调控信号的输出，可以进一步提升智能小车舵机的反应速度。除此之外，由数字图像传感器对小车前路径信息进行采集并利用单片机对采集数据进行信息挖掘，引导小车进行状态调整和路径识别的图像采集模块，现阶段主要应用的数字图像传感器和单片机型号分别是OV7620和S12，在具体应用中可结合实际情况进行更换。

2.2 基于图像传感器的智能循迹小车软件

现阶段应用的软件设计方案主要是两种，一种是通过中断处理函数采集道路图像数据，并在小车起跑线检测过程中，通过软件延时，判断行中断是否到来，在确定到来后采集现场该行图像数据，在判断本场数据采集完毕后进行图像处理，并结合处理结果进行舵机转向控制和电极驱动控制。另一种软件方案是在开始运行后，系统变量和各功能模块进入初始化状态，然后判断定时时间是否来到，在获得肯定信息后，开始采集该厂图像，进行舵机转向控制和电极驱动控制，并结合是否检测到起跑线的信息反馈，在检测到后判断是否第二次检测到，在肯定后结束，在否定后重新进行初始化后的判定。现阶段第一种软件设计方案应用相对更为广泛，在采用CMOS数字图像传感器进行智能小车循迹设计时，通常将第一种软件设计方案的系统软件设计整体构架表现为，开始后，先进行系统初始化、工作模式识别，如果判断为测试模式，则启动传感器、电机、舵机等结构，如果判断为比赛模式，则在对方向信号和速度信号采集的基础上进行稳态判断，此时要分别进行方向和速度的控制，前者主要通过控制和改进算法后舵机控制实现，后者是在速度调节后电机控制实现，具体的设计需要结合具体采用的图像传感器类型进行调整。

2.3 赛道图像的处理系统

考虑到USB2.0视频采集盒可以直接完成对音频和视频的高质量采集，而且安装过程简单，对使用环境的依赖性较低，所以在基于图像传感器的智能循迹小车中应用较为广泛，通常将其采集到的图像信息通过视频采集卡向上位机传输，为操作者调节采集棒的具体参数提供参考，在调试的过程中，人们现阶段主要应用以VB为基础的上位机串口调试软件进行。在图像采集的过程中，如果应用OV7620数字摄像头，可应用的视频信号达到288行，但中所周知，并不是所有的视频信号在智能小车轨迹运行的过程中均需要，特别是每场前22行消隐信号，如果盲目的采集只会造成存储空间的浪费和计算效率的降低，使单片机的负担加大，所以在图像采集的过程中应尽可能的对其余的266行视频信号进行采集，保证核心控制模块的处理效率。在图像采集后，利用S12系列单片机将采集到的图像

数据完整准确的传输至pc机，利用准备的基于VB的上位机串口调试软件，对图像数据二维数组进行处理，使其通过灰度图的形式直接展现。

在以上图像处理操作后，智能小车可以对所处赛场内的轨道信息准确的掌握和判别，操作人员也可以对小车进行精准的控制，但需要注意的是智能小车在不同的运动状态下，所需要的图像信息存在差异，所以在智能小车循迹运行的过程中，操作人员应有意识的对摄像头的安装位置和调节趋势进行改变，尽可能达到“看的最远、看的最清晰”。

另外，在赛道图像采集和传输的基础上，赛道图像数据的分析也至关重要，通常情况下，基于图像传感器的智能小车所应用的摄像头图像采集系统由图像采集系统和图像数据处理系统共同构成，在数据处理系统运行的过程中，目前以图像分割方法应用最为广泛。在设计的过程中，由于智能小车的赛道是在白色板面上按照黑色轨迹运行，而且比赛环境的噪音较低，所以通常应用全局阈值法实现阈值分割，在确定具体阈值时，通常选取几个较常用的阈值，然后对其进行对比，确定最合适的实现对赛道图像的处理分析。

3 结论

通过上述分析可以发现，现阶段人们已经认识到车辆具有智能循迹性能，对减少交通事故发生概率的有效性，并在实践中有意识的结合循迹技术的要求和图像传感器的原理，进行以图像传感器为基础的智能循迹小车的设计，这是我国车辆智能化设计水平提升的具体体现，对智能交通系统建设具有积极作用。

参考文献：

[1]余炽业，宋跃，雷瑞庭.基于STC12C5A60S2的智能循迹小车[J].实验室研究与探索，2014（11）：46-49+121.

[2]任涛，赵思佳，程瑞，吕云鹏，张鑫月.无人机与智能车协同导航系统的设计[J].沈阳大学学报（自然科学版），2015（05）：385-389.

[3]莫太平，杨宏光，刘冬梅.面向多路线的智能循迹小车的设计与实现[J].自动化与仪表，2014（04）：6-9.