基于图像识别的循迹车路径识别算法研究

1 整体设计

根据功能的不同，小车分为六部分：摄像头图像采集模块、电源模块、电机驱动模块、测速模块、舵机转向模块、辅助调试模块。图1是小车系统硬件模块框图。



(1)摄像头图像采集模块

采用CMOS摄像头作为识别路径的传感器。此模块的主要作用是识别黑色引导线，工作原理为：摄像头的信号通过LM1881视频分离芯片向DGl28产生行信号中断和场信号中断，以控制图像A／D值的采集；然后通过边沿提取算法提取出每行黑线的位置，通过提取连续段重新购建一帧图像的算法对整个图像进行处理。

(2)驱动模块

Freescale公司生产的MC33886芯片是一款性能优良的直流电压驱动芯片。通过输入不同占空比的方波信号，可以在MC33886的输出端得到不同的电压，进而驱动电机，实现调速。

(3)测速模块

采用光电耦合管和自制的码盘作为测速的传感器。光耦合管的输出信号经过555定时器组成的斯密特触发器整形得到一定频率的矩形波信号，再经过DGl28的输入捕捉功能提取出小车的速度值。

(4)舵机转向模块

为了保证小车在转弯过程中既能快速响应，又防止速度过快冲出跑道，利用汽车转向机构原理，把舵机的位置进行了提升。这样可以增大力矩，使小车快速响应，按照轨迹进行快速转弯。

2 图像采集及处理

2．1 图像采集

常用的摄像头视频输出信号是电视机的PAL制式。它的工作原理与电视机的工作原理相似：在一定分辨率下，每秒扫描25帧图像，每帧图像含有625行信息；分为奇、偶场，隔行扫描；总共每秒50场信号，每场有312．5行信息；从奇数行开始扫描，即依次扫描第l、3、5、7、9……当扫描完奇数场后，再开始扫描偶数场，构成一帧图像。



对图像的采集是根据摄像头的行信号和场信号对图像模拟量的采集。如图2所示，输出信号包括行同步信号、场同步信号、图像信号以及各种消隐信号。行同步信号代表一行的图像数据扫描开始。场同步信号代表一帧的图像数据扫描开始。要完成图像的正确采集，必须严格遵守时序的要求：当捕捉到一行信号时，开始对该行各点的模拟量进行采集，当下一行信号发生时表明该行采集完毕，需要对下一行的模拟量进行采集。

由于MC9S12DGl28片内A／D采样频率的影响，每一行采集的点数受到了限制，在系统时钟倍频到24MHz，A／D每次采集时间为2．3μs的情况下，每一行图像的采集能达到34个点。这虽然远远小于摄像头本身的分辨频率，但在不使用2．8 mm广角镜头的前提下，仍能分辨出黑线，因此我们将数组列数设为34，同时每间隔6个摄像头行信号采集一次，一共有312个行信号，则一共可采集 312／6=52行。去掉首尾干扰加大的行，选择采集46行，因此数组的行数为46。最终，设定的数组大小为：data_savel[46][34]，还原效果如图3所示。



2．2 图像采集的处理方法

这里的黑色引导线以白色为衬底，因黑线和白色底板存在很多大灰度比，在图像信号上会形成相应高低不同的电压值。当检测到黑线时，图像信号中将形成一个“凹” 形槽，图4中凹槽处即是黑线在一行数据中的相对位置(26)。



对图像每行数据的处理将得到每行图像中黑线的相对位置，即下面的行数据处理；而对每行图像中黑线的位置的综合分析将再现黑线的形状，即下面的帧数据处理。本设计将采集的模拟量数据存放在一个二维数组中，当完成对一行数据的采集后，就可以对该行的数据进行处理，即提取黑线的算法。在提取黑线上采用边沿提取法。该算法具有对黑线反应灵敏、准确度高、抗干扰能力强等特点。

图5表示的是光线比较好的情况下，A／D采集一帧中一行图像的数值结果，即二维数组中的某一行数据。小圆点的纵坐标表示A／D采集值，横坐标表示采集点在二维数组该行中的相对位置。



边沿提取法，即通过程序检测到上述图形的上升沿和下降沿，然后通过上升沿和下降沿的位置求出黑线的位置。边沿提取算法流程：

①通过i控制循环语句不断检测上升沿或下降沿。当第i个点的A／D值与第i+2个点的A／D值之差大于设定的阈值时，表明出现了下降沿，这时读取i的值。

②一旦出现了下降沿，就开始不断地判断第i+2个点的A／D值与第i个点的A／D值之差是否大于设定的阈值。如果大于则表明检测到了上升沿，这时也读取i 的值。通过2次i的值，便能够求得黑线对应的点是第几个点，进而求出黑线与小车轴线的相对位置。其提取流程如图6所示。



通过判断下降沿位置和上升沿位置，来计算黑线的相对位置，并通过判断上升沿之后的数据是否满足相差不大于阈值来减小误差，以精确计算黑线的相对位置。

在光线比较好的情况下，简单地运用上述算法即可求得比较准确的相对位置，此时也不需要对阈值进行动态调整。当受到太阳光或其他比较强烈的光线影响时，就需要设置动态阈值。图7为光线不理想时图像的一种情况。

光线不好的情况下，采集的图像通常会出现图7中凸起的情形，这时，黑线提取算法的出错几率会大大增加。为了避免这种情况，可以根据图像的变化趋势将阈值附加上一个修正值。如图7，在进行下降沿检测时，可以在预先设定的阈值上减去一个数值，以克服凸起处的变形造成实际阈值的变小；上升沿检测时，可以在预先设定的阈值上加上一个数值，克服图像呈上升趋势带来的阈值变大。修正值的计算可以大致采用下式：





2．3 图像帧数据的处理

经过黑线提取算法得到每一行黑线的位置，并存在一个一维数组里，通过这个数组就可以粗糙地控制小车转向。但摄像头可能会将黑线以外的其他物体错误识别成黑线，直接使用数组不能满足稳定性的要求，还需要对数组的数据进行进一步的处理，把干扰图像滤除，即这里所说的帧数据的处理。

在帧数据处理上采用提取连续段的方法，将图像中错误的数据去除掉。图8是把干扰图像误当成黑线的情况，虚线代表实际的黑线位置。



连续段提取算法的流程大致为：

①通过程序将图像中连续的段提取出来，提取的方法即通过i控制循环语句不断检验(Yi+1一Yi)的值是否大于设定的阈值。如果小于则表明第i个点和前面各点是连续的，否则和前面各点不连续。如图能够提取出3个连续的段，即连续段1、连续段2、连续段3。

②判断连续段的可靠性，判断的依据是连续段中的点越多表明该连续段越可靠，如图8，显然连续段1和连续段3比连续段2可靠。将可靠性好的段作为可用段，可靠性差的段作为不可用段。

③排除不可用段，将可用段连接起来形成一个大段。最后采用插补法，将不可用段归算到这个大段中。

用该方法得到的归算后的“大段”给下面循迹算法提供了依据。图像处理的稳定性，是小车循迹稳定性的前提条件。实验表明，该算法能够很好地满足稳定性的要求。