基于樹莓派的車道保持小車系統設計

朱永強 石炳明

摘要：車道保持是基于各種傳感器，當車輛接近識別到的標記線而且可能脫離行駛車道時，發出警報或者進行控制的系統，在無人駕駛過程中，是非常重要的環節。本文基于樹莓派3B+，利用攝像頭設計搭建了智能小車，用Python語言編寫了車道保持算法。實驗表明，該小車系統可以完成在規定賽道內保持車道行駛，具有較好的響應。

關鍵詞：攝像頭;樹莓派;車道保持;Python

0? 引言

隨著無人駕駛技術的成熟，車道保持系統也發揮著越來越重要的作用。車道保持系統可以使車輛維持在正確既定的道路上，保證駕駛的安全性[1]。樹莓派是一款基于Debim Linux系統的嵌入式計算機，具有體積小，集成化程度高，擴展性強，易于上手的優點[2]，非常適合作為智能小車的主控板實現智能控制的功能。本文基于樹莓派3B+，完成小車在規定賽道內的自動車道保持行駛。

1? 硬件搭建

小車系統主要包括底盤系統，控制系統，攝像頭，電源。其中底盤系統包括4個輪子，4個電機以及底盤支架;控制系統包括主控板樹莓派3B+以及雙路直流電機驅動板模塊L298N;電源包括移動電源和四節干電池組成的6V電源。如圖1所示。

其中攝像頭獲取賽道信息，通過USB接口將信息傳輸到樹莓派里，樹莓派里已經編寫燒錄好的程序會根據收到的當前賽道信息，計算得出小車的轉向參數，并將信號傳輸給直流電機驅動板模塊L298N，L298N根據模塊的輸入輸出規則，控制電機的轉動。

本文實驗電機驅動采用PWM值驅動，PWM值在[0，100]范圍內，PWM值越接近100，電機轉速越快。而該電機驅動模塊L298N是雙路驅動模塊，所以只能驅動兩個電機。在本文實驗中，將同側的兩個電機串聯在一起，接收同一個信號。當L298N輸出的兩路信號相同，則小車實現向前直線行駛或向后直線行駛;當L298N輸出的兩路信號不同，則小車左右輪轉速不同從而實現差速轉向功能。小車具體轉向角的大小由左右輪差速大小決定。

2? 算法介紹

本文使用Python語言基于OpenCV模塊編寫車道保持算法。算法流程如圖2所示。

該算法中，對攝像頭獲取的圖像單取第240行像素，即把攝像頭當作線陣攝像頭使用，在經過灰度化和二值化處理后，第400行像素只有白色點和黑色點，像素值分別為255和0。本實驗賽道是在白色地面上鋪上黑色賽道線，所以當檢測到像素值0時，即檢測到了賽道。對于雙車道線來說，會有四次黑白像素值的跳變，四次跳變位置的中點即賽道的中點。小車攝像投的拍攝像素是640*480，所以圖像的中點位置即320，當攝像頭安裝在小車正中央時，小車的位置即為320。則賽道的中點位置與320的偏差，即小車與賽道中點的偏差。

當偏差過大時，說明小車可能即將脫離賽道，此時小車停止;當偏差較小時，為保持小車行駛的穩定性，使小車繼續直線行駛;當偏差在一定范圍內時，小車需要轉向，基于偏差越大，轉向角越大的經驗，偏差值與ΔPWM之間近似存在線性關系。由于本實驗中，小車轉向的偏差值范圍為[100，320]，ΔPWM的范圍為[30，100]，所以有如下關系：

為防止轉彎時左右輪轉速變化較大，本文選擇的PWM差值分配方法是讓一個輪子速度不變，另一個輪子加上PWM差值[3]。當小車左轉時，右輪加上ΔPWM;當小車右轉時，左輪加上ΔPWM。

3? 實驗驗證

為了驗證算法的有效性，本文進行了小車在封閉雙車道線的實物實驗。在實驗過程中，通過調試選取的像素值的行數與小車攝像頭的俯仰角，最后完成了小車的車道保持功能。最終選取的像素為第400行像素，通過調試分析，選取較遠的像素會導致小車響應超前，造成提前轉彎;選取過近的像素會導致小策劃震蕩劇烈。選取一段視頻，利用Tracker軟件和Matlab繪制軌跡如圖3所示。

參考文獻：

[1]張海林，羅禹貢，江青云，李克強.基于電動助力轉向的車道保持系統[J].汽車工程，2013，35（06）：526531，525.

[2]石子昊，夏佳寧.基于樹莓派和Python的智能家居控制系統的設計[J].計算機產品與流通，2019（12）：120.

[3]劉漢忠，俞鵬，謝秦韜.基于CCD的循跡機器人小車模糊控制方法研究與實現[J].現代電子技術，2019，42（09）：95-97，102.