數(shù)字化攝像頭在智能車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

齊忠琪

新疆師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院 烏魯木齊 830053

1 智能車與智能車導(dǎo)航系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對高質(zhì)量生活的不斷追求，眾多與人們生活密切相關(guān)的智能化控制設(shè)備應(yīng)運而生。智能汽車是近幾年來交通領(lǐng)域研究的一個熱點。人們希望將計算機、傳感器、信息通信、人工智能及自動控制等技術(shù)應(yīng)用于汽車制造之中，設(shè)計制造一種集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動駕駛等功能于一體的智能化汽車。為了促進此項研究的開展，世界著名的制造公司開始與高等院校合作，吸引具有探索與創(chuàng)新精神的大學(xué)生參與智能汽車模型的設(shè)計與制作，并舉行了一系列智能汽車設(shè)計競賽。

2007年11月，美國第三屆智能汽車大賽在加州維克托維爾舉行。參賽汽車根據(jù)車頂上可旋轉(zhuǎn)的激光器和車兩邊可轉(zhuǎn)動的攝像機檢測路況信息，利用衛(wèi)星導(dǎo)航為汽車定位，用人工智能系統(tǒng)判斷出汽車的位置和去向，用自動化控制系統(tǒng)控制車輛運行的姿態(tài)。車輛在整個運行過程中絲毫不受人為的干涉。此次競賽最長行程達到100多千米。

2005年11月，飛思卡爾半導(dǎo)體公司與中國教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)指導(dǎo)分委員會簽署雙方長期合作協(xié)議書，協(xié)議書規(guī)定從2006年起，飛思卡爾將協(xié)辦“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽。該競賽以汽車電子為背景，要求學(xué)生組成團隊，協(xié)同工作，在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的硬軟件技術(shù)平臺上，設(shè)計制作出一臺以直流電為能源，以單片機為核心控制單元，以攝像頭、光電傳感器或電磁傳感器為道路監(jiān)測單元，能在規(guī)定賽道上快速行駛的智能小車。時至2012年，該項競賽已成功舉辦7屆。

智能車能否正常行駛，導(dǎo)航系統(tǒng)是關(guān)鍵，智能車導(dǎo)航系統(tǒng)由路況監(jiān)測系統(tǒng)、車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)、行駛路線預(yù)設(shè)系統(tǒng)等三大部分構(gòu)成。本文討論的是如何利用數(shù)字化攝像頭監(jiān)測車輛在行進中的路況信息，最終通過控制系統(tǒng)控制車輛在規(guī)定道路上行駛的方法。

2 數(shù)字化攝像頭OV7620

OV7620是一款高分辨率CMOS數(shù)字化圖像傳感器，內(nèi)置10位雙通道A/D轉(zhuǎn)換器，輸出8位圖像數(shù)據(jù)；具有自動增益和自動白平衡控制，能進行亮度、對比度、飽和度、γ校正等多種調(diào)節(jié)功能，其視頻時序產(chǎn)生電路可產(chǎn)生行同步、場同步、混合視頻同步等多種同步信號，普遍被用于動態(tài)圖像采集系統(tǒng)。用OV7620芯片生產(chǎn)的數(shù)字化攝像頭具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積小等特點。

用OV7620制作的攝像頭典型接口如圖1所示。其中，第1、2端口為5 V電源供電端；第3、4端口為I2C通信端；第5端口為模擬視頻信號輸出端；第6端口為視頻信號行同步輸出端；第7、8端口為可選擇的視頻信號場同步輸出端；第9端口為圖像像素時鐘輸出端；第10端口為復(fù)位端；第11～18端口為數(shù)字視頻信號輸出端。

3 基于數(shù)字化攝像頭智能車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

數(shù)字化攝像頭是智能車的“眼睛”，在智能車控制系統(tǒng)中主要用于道路路況探測。在智能車行進過程中，它源源不斷地將視野范圍內(nèi)的路況圖像信息傳送給智能車控制單元CCU，CCU對攝像頭傳遞來的路況圖像信息進行分析，計算出智能車在道路中具體位置數(shù)據(jù)，再將此數(shù)據(jù)與系統(tǒng)所規(guī)定的智能車位置的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比較，如果兩者數(shù)據(jù)存在差異，CCU就會輸出矯正數(shù)據(jù)給控制驅(qū)動電路，控制驅(qū)動電路對智能車當(dāng)前行駛狀態(tài)進行修正，從而保證智能車沿著規(guī)定路徑行駛。智能車控制典型硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 基于數(shù)字化攝像頭智能車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 智能車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計需要考慮的兩個主要問題

問題1：如何規(guī)范智能車行駛的道路路面？

目前，等級公路的路面一般由砂石材料及瀝青混合鋪就，路面呈黑褐色，路基邊緣涂刷一定寬度的白色標(biāo)記，這種路面與道路邊緣強烈的亮度反差可以讓駕駛員非常方便地辨別出自己車輛在道路中的位置。智能車依靠攝像頭獲取道路信息，對路面區(qū)域色彩或亮度反差要求更為苛刻。路面標(biāo)記信息的污染和大面積殘缺，都會造成攝像頭拾取的道路信息不完整，從而影響智能車的正常行駛。所以，智能車運行的路面中心線、路面邊緣線必須與路面的其他部分保持顯著的色彩或亮度差異。

問題2：如何傳遞攝像頭拍攝的畫面信息。

OV7620是一款數(shù)字化攝像頭，它支持I2C串行數(shù)據(jù)傳輸，也支持8位并行數(shù)據(jù)傳輸；它既可以輸出彩色信號，也可輸出黑白信號?？紤]到等級公路路面與路邊緣標(biāo)記的色彩反差較大，所以在對攝像頭進行設(shè)置時，可讓攝像頭工作在黑白圖像輸出狀態(tài)。為提高信息傳遞的速率，可將攝像頭信號輸出方式設(shè)定為并行數(shù)據(jù)傳輸。如果需要動態(tài)監(jiān)視視頻圖像，可考慮使用串行數(shù)據(jù)通信。

4.2 智能車控制軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制算法

智能車控制軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)讀取與存儲部分、數(shù)據(jù)二值化部分、數(shù)據(jù)分析部分、數(shù)據(jù)比較部分、誤差計算部分和控制數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換輸出部分等六部分組成，具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖1 OV7620攝像頭典型接口

圖3 智能車控制軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

智能車控制算法：系統(tǒng)在檢測到中央控制單元時鐘穩(wěn)定后，啟動攝像頭進入工作狀態(tài)，中央控制單元的數(shù)據(jù)捕捉模塊讀取攝像頭輸出的圖像信號并存儲；數(shù)據(jù)二值化部分對存儲器內(nèi)存儲的圖像數(shù)據(jù)進行分析，動態(tài)生成二值化閥值，并自動完成圖像數(shù)據(jù)二值化；數(shù)據(jù)分析部分對二值化后的數(shù)據(jù)分布情況進行統(tǒng)計與分析，在數(shù)據(jù)庫中標(biāo)記出道路邊緣與道路中心的所在位置；數(shù)據(jù)比較和誤差計算部分根據(jù)數(shù)據(jù)庫中道路標(biāo)記信息，計算出車輛目前在道路中所處的位置，如果車輛位置符合位置預(yù)設(shè)，則誤差輸出為零，車輛保持目前狀態(tài)繼續(xù)行駛，如果車輛位置偏離預(yù)設(shè)位置，則誤差輸出數(shù)據(jù)隨偏角大小而變化；控制數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換部分會將誤差輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有一定功率的控制信號，改變車輛當(dāng)前運行的狀態(tài)，直至車輛運行狀態(tài)符合預(yù)設(shè)要求。

5 結(jié)語

由OV7620芯片制作的數(shù)字化攝像頭，內(nèi)置10 Bit A/D轉(zhuǎn)換單元，具有8 Bit圖像數(shù)據(jù)輸出接口，極易與常用的汽車控制芯片組成結(jié)構(gòu)簡潔的車輛控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)與模擬攝像頭構(gòu)成的智能車控制系統(tǒng)相比，具有硬件結(jié)構(gòu)簡潔、軟件程序編寫容易的特點，是構(gòu)成智能車控制系統(tǒng)的首選。

[1]胡長暉,葉夢君,等.基于視覺技術(shù)智能車系統(tǒng)的設(shè)計[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2012(2):17-21.

[2]費琛,楊會成,楊惠.基于圖像傳感器的智能車硬件系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機,2012(5):107-108.