Linux平臺下的無線視頻尋跡小車

汪正進，武風波，李國民，張文海

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

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Linux平臺下的無線視頻尋跡小車

汪正進，武風波，李國民，張文海

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

為研究如何縮小自動尋跡小車的在指定路線上的偏差率問題，采用基于Linux平臺下的嵌入式操作系統和無線視頻處理相結合的方法。主控單元用2塊飛凌公司的32位ARM11系列的S3C6410處理器分別作為服務器和小車的客戶端；路徑識別單元采用CMOS數字攝像頭OV9650進行攝像，通過圖像處理單元提取路徑信息；驅動控制單元采用SGS公司的L298N芯片。結果表明，通過模糊PID控制算法對舵機轉向和速度進行控制，能較好實現小車按預定路線平滑尋跡。為避免Wi-Fi傳輸信號不好或者說數據量過大，出現嚴重丟包現象,Wi-Fi傳輸協議上選擇基于數據流式傳輸數據的TCP協議。經過反復測試,系統路徑識別性能良好，運行比較穩定。

Linux；模糊PID控制算法；無線視頻；路徑識別

0 引 言

隨著計算機處理速度和網速的快速提升，再加上各種視頻處理技術的優化發展，遠程網絡視頻監控系統開始向智能化、平臺化方向發展。目前圖像壓縮技術的發展也很迅速，推動了視頻壓縮格式的多樣化，如H.264，AVS編碼格式等[1]。視頻監控在錄像存儲、圖像傳輸等方面受到視頻壓縮技術的發展而得到穩步提高。例如利用無線視頻技術對供暖設備進行監視和控制，對無人職守區域進行火災檢測和報警以及在煤礦井下利用GIS系統并借助Wi-Fi對人員進行定位等[2-4]。目前在操作系統方面，由于Linux內核的可移植性和開源性，在系統開發上具有較好的實時性和穩定性，便于實際操作[5-7]。再加上嵌入式系統的快速發展，它的軟硬件是可裁剪的，它的功能強、可靠性高、體積小、功耗低等優點。它的應用在人們的日常生活中隨處可見，例如MP3、智能電器、車載GIS等。目前在煤礦井下，利用嵌入式系統搭建平臺對煤礦入井人員進行實時跟蹤監測和定位以及對礦井有限空間Wi-Fi信號質量進行檢測和評估等[8-10]。

無線視頻尋跡小車概念也是伴隨著無線視頻監控和嵌入式系統的發展提出來的。目前各種尋跡小車在指定路線上運行存在一定的偏差問題。本系統通過飛凌公司的32位ARM11作為核心處理器，采用目前比較流行的視頻編解碼標準H.264進行編碼，再經過Wi-Fi的TCP通信，將視頻采集到的實時數據指令等傳遞給小車服務器進行顯示，便于控制和降低無線視頻尋跡小車在指定路線上運行的偏差率問題。若今后將無線視頻尋跡小車應用于煤礦事故等危險現場的探察工作，能及時準確掌握井下人員的分布和現場情況，提高搶險救災的效率。

1 系統總體方案的設計

系統采用2個ARM1176JZ內核型號的S3C6410作處理器。分別作為服務器和小車客戶端，它們之間通過Wi-Fi的TCP通信協議進行數據指令等的傳輸，系統整體流程如圖1所示。

圖1 系統流程圖

整個系統由直流電機驅動控制、路徑識別、無線傳輸、速度檢測和報警裝置組成。首先利用裝載在小車上的CMOS攝像頭OV9650(130W像素)對路面信息進行攝像[11]。CMOS攝像頭所采集的視頻信號在圖像處理過程中必須先濾除附加的控制信號，然后通過AD轉換進行采樣，變成數據信號之后進行傳輸。但攝像頭采集圖像的數據容量比較大，若直接采用無線傳輸，傳輸速率需要達到20 Mbps左右，要想滿足實時性要就，需要提供的帶寬達到幾百兆，但有了視頻壓縮技術之后，在傳輸之前利用視頻壓縮編碼來處理所采樣的視頻信號，這樣傳輸速率可以降到1～10 Mbps之間，再通過無線傳輸實時地發送到小車服務器終端，它將接收到的視頻壓縮信號進行解碼并通過液晶顯示器實時播放。其次根據CMOS攝像頭對路面攝像信息，經圖像處理后對小車前方路徑提取信息進行識別，通過模糊自適應PID控制算法對舵機轉向和速度進行控制，其中舵機開環控制由PWM信號輸入，讓小車按預定的軌跡平滑運動，若小車尋跡錯誤會自動發出報警提示[12-15]。

2 用戶界面及軟硬件設計

2.1 用戶界面

用戶界面分為小車服務器用戶界面和小車客戶端用戶界面，如圖2,圖3所示。它是用功能強大的Linux Qt Creator 4.7.1進行編寫。界面按鈕均為虛擬按鈕，可通過小車控制面板上的觸摸屏的點擊動作完成操作。CMOS攝像頭所采集到的視頻圖像也是在該界面上進行顯示。在優先級上，視頻圖像顯示的優先等級要高于按鈕界面顯示等級。整體效果上視頻打開之前能顯示虛擬按鈕，打開之后覆蓋按鈕界面顯示，可通過側面返回鍵返回按鈕界面。

圖2 小車服務器用戶界面

圖3 小車客戶端用戶界面

2.2 硬件設計

處理器采用的是ARM1176JZ內核型號的S3C6410，它內置有全性能的cache和MMU接口以及高速AMBA總線接口。AMBA片上總線是一個開放標準，已成為IP庫開發和SoC構建的事實標準。它在視頻圖像處理方面相比較于其它處理器更加優越和快捷。

驅動控制采用SGS公司的L298N電機驅動芯片它具有過電壓和過電流保護，抗干擾能力強。它可單獨控制電機，當輸入信號端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電機正轉。如果信號端IN1接低電平，IN2接高電平，電機反轉。同時還可調電機的轉速，實現PWM脈寬平滑調速。因此，它相對于其它電機驅動芯片而言對系統的穩定性有很大的提高。

電源模塊。此系統的設計需要3種電壓，分別是1.8 V,3.3 V和5 V.其中5 V電壓利用美國國家半導體公司生產的3 A電流輸出降壓開關型集成高效穩壓電路LM2576和開關穩壓電源將220 V直接轉換，再利用低壓差電壓調節器LM1117可以得到2個固定的3.3 V和1.8 V電壓輸出。它們為處理器及其外圍擴展器件供電，其中S3C2410內核使用的1.8 V電壓[16]。

2.3 軟件設計

系統采用Linux 2.6.36v2嵌入式內核，軟件應用程序開發環境在Qt Creator 4.7.1上進行。根文件系統采用yaffs/yaffs2，它是專門針對Nand Flash開發的可讀可寫文件系統。軟件設計如圖4,圖5所示。

圖4 服務器程序流程圖

圖5 小車客戶端程序流程圖

在無線傳輸過程中，Wi-Fi傳輸協議上選擇基于連接的TCP協議。也就是說，在正式采集和接收數據前，必須和對方建立一種可靠的連接。一個TCP通信協議連接必須要經過三次“握手”才能建立起來，它的過程相當復雜，但TCP通信協議適合傳輸大量數據。

在路徑識別模塊中，舵機轉向控制采用模糊自適應PID控制算法來進行優化。模糊自適應PID控制系統由一個模糊控制環節和一個PID控制器組成。PID控制器表達式為

(1)

式中 f(k)為PID控制器輸出的控制量；e(k)為角度偏差信號；Km為比例 ；Kn為積分系數，它的作用使系統的穩態誤差得到消除；Ks為微分系數，它的作用是使系統的動態特性得到改善。

采集數據經過圖像處理后，賽道的路徑基本信息就會展現出來。但要判斷當前賽道是直道還是彎道。需要先確定2個點，即尋跡的有效起點和有效終點[14-15]。有效起點即圖像數據最近位置的第一個有效行，黑線的中心位置，把它定義為A(X0,Y0)點；有效終點即圖像數據最遠位置的第一個有效行，黑線的中心位置，把它定義為B(X1,Y1)點。根據2點確定一條直線，就能確定斜率。將它設置為偏離圖像中心位置的角度偏差信號。將偏差信號分為2路，一路送入PID控制器，另一路和它的變化率一起送入模糊控制環節，根據公式(1)得到參數校正值ΔKm,ΔKn，ΔKs，自動校正初始的PID參數Km，Kn,Ks，然后用校正后的參數輸入PID控制器得到控制量，作為速度調節環節給定值。這樣就可以降低舵機轉向滯后的機率而控制舵機轉向的角度。再利用舵機開環控制(給定的PWM信號值與舵機的輸出轉角成線性關系)，很好地實現舵機的轉向。這樣可以保證小車在直道進入彎道之前提前轉彎，實現小車按預定路線平滑尋跡。

3 測試結果及誤差分析

根據反復測驗，小車在直道上行駛速度不低于0.5m/s；小車在彎道轉彎時，與指定路線上的偏差不超過50mm.小車在指定路線上運行狀況測試表,見表1.

表1 小車在指定路線上運行狀況測試表Tab.1 Car running test on the specified route

小車在彎道轉彎時與指定路線上運行所造成的誤差是在視頻圖像分析處理時通過圖像亮度采用兩點預定路線提取黑白線信息，從而導致路線容易跑出攝像頭攝像范圍，再加上視頻在傳輸過程的延時導致小車尋跡效果更差。為了降低小車尋跡偏差，結合圖像亮度提取黑白線算法時對光線要求高，在小車前端安裝了一個前方照明燈，這樣會消除對光強度不均勻對小車在尋跡線路上所造成的影響。其次利用圖像特征處理提取技術，提出采用三點預定路線來優化圖像處理算法，結合模糊自適應PID控制算法可計算出預定路線實際尋跡軌跡，擺脫了傳統的光電二極管尋跡或者紅外線尋跡的缺陷。這樣它的道路參數多、檢測范圍寬、前瞻距離遠的優點，使得尋跡小車的速度更加快捷和準確。

4 結 論

本系統在彩色視頻圖像當中提取黑白線算法優化時，需要考慮視頻傳輸延遲的影響。為提高硬件寄存器工作效率，采用減少不必要的內核進程的運行和對驅動進行優化。經過反復測試，本系統在白底黑線的跑道上鋪設一定寬度任意弧度的黑線，小車能快速地沿此黑色引導線實現自主尋跡，在彎道轉彎時偏差較小，具有穩態誤差小和控制響應時間短的特點，有較高的應用價值。

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Wireless video tracing car under Linux system

WANG Zheng-jin,WU Feng-bo,LI Guo-min,ZHANG Wen-hai

(CollegeofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

To study how to reduce the car’s automatic tracking deviation rate on the specified routes,we use a method combined embedded operating systems with wireless video processing based on Linux.The main control unit uses 2 pieces of Forlinx’s 32-bit ARM11 series S3C6410 processors as main control unit of server and client,respectively.The path identification unit adopts the CMOS digital camera OV9650 to obtain the path information through the image processing unit.The drive control adopts SGS’s L298N chip.The results show that it’s better to realize the smooth tracing car at predetermined route through the fuzzy-PID control algorithm to control steering gear and speed.We select the TCP protocol based on transmission data of data streaming at the Wi-Fi transfer protocol.After repeated testing,the system’s performance of path recognition is good and operation is stable.

Linux system；fuzzy-PID control algorithm；wireless video；path identification

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0118

1672-9315(2015)01-0105-05

2014-10-20責任編輯:高 佳

陜西省科技攻關項目(209K08-36)

汪正進(1981-)，男，安徽廬江人，工程師，E-mail:jin7-8@163.com

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