基于车道线检测的智能小车设计

论文总字数：19713字

目 录

第1章 前言 5

1.1 设计开发背景及意义 5

1.2 国内外研究现状 5

1.3 课题研究的主要内容 6

第2章 系统整体设计 6

2.1 系统整体框架 6

2.2 车模外形 7

2.3 硬件参数 9

第3章 硬件部分设计 10

3.1 底盘 10

3.2 主板 10

3.3 核心板 11

3.4 摄像头 13

3.4.1 摄像头简介 13

3.4.2 图像信号相关概念解释 13

3.4.3 摄像头的工作原理 14

3.5 舵机 16

3.6 编码器 17

3.7 电机驱动 18

3.8 蓝牙模块 19

第4章 软件部分设计 19

4.1图像处理 20

4.1.1 获取图像及提取边界 20

4.1.2 提取引导线 22

4.1.3 图像处理调试 23

4.2控制设计 25

4.2.1传统PID控制理论介绍 25

4.2.2 参数调节规律 26

4.2.3 PID控制速度 26

4.2.4 PID控制转向 28

第5章 实现环境及系统调试 30

5.1 工作环境 30

5.2 系统实施环境 30

5.3 系统调试 30

第6章 结束语 31

参考文献 31

附录 32

相关器件原理图 32

主要程序源代码 34

致谢 36

第1章 前言

设计开发背景及意义

随着我国进入了中国特色社会主义新时代，综合国力进一步的增强，我国也成为了世界上数一数二的汽车制造业大国。在这个人工智能已成为时代发展大潮流的背景下。所以研究智能小车是非常有意义的。智能小车的应用领域非常的广泛，比如智能小车可以应用在安全监测方面。小车可以沿着道路或者人不方便到达的诸如桥梁内部循迹，探测是否有裂痕损伤的地方；也可以深入地下，检测输油管输水管的泄露和损伤点。另外当自然灾害发生的时候，智能小车也会起到独特的作用。例如当地震发生的时候，小车可以利用摄像头红外灯等传感器可以进入到废墟中探寻到幸存者，可以降低消防和解放军官兵的生命风险。当然，军事用途是促进科技发展的一大重要因素^[4]。可以通过小车来扫除战场上的地雷和没有引爆的炸弹等等。现代化战争是信息化的战争，各个国家也越来越重视对于军事侦察的建设，军事探测设备的要求也越来越高。智能小车可以运用到战场上信息的搜集，特别在夜间或者敌方屏蔽雷达等信号时，就可以通过给智能小车安装导航，测距等仪器设备，侦测敌情，搜集情报，准确而广泛地了解敌方的动态，从而始终地占据战场的主动^[3]。而在民用方面，智能小车可以应用到智能家居，比如家里煤气泄漏时发出警报，失火时可以及时扑灭，也可以进行扫除灰尘等活动。总之，智能小车的应用领域非常地广，是值得我们深入探寻和研究的。

国内外研究现状

伴随着人工智能的逐渐大热，电子、传感器、计算机、自动控制、机械等技术等得到了飞速发展，国内外的研究者对于智能车及其相关技术越来越青睐。许多实力雄厚，目光远大的研究所和行业大公司，高校等在对智能车展开了一系列的研究。智能汽车是集环境信息采集感知、规划决策路径等功能于一体的复杂系统^[2]。

早在1995年的时候，NabLab5就进行了穿越美国陆地的实验，总路程4587公里，在整个行驶过程中，自主驾驶部分占百分之九十七。2005年DARPA（美国国防部高级项目研究局）举办了GrandChallenge(第二届机器车挑战大赛)。主办方要求参赛的车辆根据事先两小时前给出的比赛路线能自主完成全部路程。最终搭载有激光传感器、单眼视觉系统和雷达系统并且靠8个奔腾M处理器的电脑完成程序处理的“斯坦利”摘得桂冠^[5]。

而在中国智能车同样在逐步得到发展。前些年间在张钹院士的带领下，中国清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室研究出了新一代的智能机器人。

从2018年5月1日起，继北京、上海等城市先后就自动驾驶车辆道路测试出台管理办法和细则之后，全国适用的自动驾驶路试新政也出炉。标志着无人驾驶时代正式来临。工信部、公安部、交通部三部委印发《智能网联汽车车道路测试管理规范（试行）》。《管理规范》将于5月1日起实施，地方将制定实施细则，具体组织开展自动驾驶道路测试工作。湖南长沙将是全国第一个响应出台《智能网联汽车道路测试管理实施细则（试行）》的地方，该细则将于5月1日起开始实施。

无人驾驶已经成为下一波科技革命的风口。发展智能网联汽车不仅是解决汽车社会面临交通安全、道路拥堵、能源消耗、污染排放等问题的重要手段，也是构建智慧出行服务新型产业生态的核心要素，更是推进交通强国、数字中国、智慧社会建设的重要载体，已成为新时代汽车产业转型升级的重要突破口、全球汽车产业技术变革的战略制高点。目前，包括美、欧、日等在内的汽车发达国家和地区都将智能网联汽车作为汽车产业未来发展的重要方向，纷纷加快产业布局、制定发展规划，通过技术研发、示范运行、标准法规、政策支持等综合措施，加快推动产业化进程。英国专家表示：考虑到全球每年因车祸造成的死亡人数多达125万，为了让交通更安全，最多再过25年，人类将被禁止开车，而由无人驾驶技术全面取而代之。

1.3 课题研究的主要内容

这个毕业设计的主要内容是在飞思卡尔智能车竞赛使用车模和最小核心系统版K60的基础上研究一种小车，可以识别道路并且规划行程。在实现这个目标的整个过程中，最为核心的地方是能够实时地探寻黑线并且能够把探寻不到的地方通过恰当地算法补出来以此让小车始终保证行驶在道路的中央。因此黑线采集和处理的准确性将直接影响小车的行进效果。因此，选取一个精确的道路信息采集系统是至关重要的。因为精确的道路采集采集系统和优良的循迹算法是相辅相成的，两者缺一不可。道路采集系统有很多种，例如摄像头，光电传感器，电磁检测，红外传感器等等。在本课题中，最终采用了摄像头采集道路信息的方案。采用摄像头进行采集，通过对采集的道路信息进行处理分析计算，将输出的偏差值输入到PID控制器中来纠正小车的运行轨迹。控制单元根据得到的各帧图像信息，判断前方轨迹是直线还是曲线轨迹还是S路十字路之类复杂的地形来制定控制策略。比如说小车直线中加速度过大导致转弯的速度难以降低难以降低，因此车辆可预先准备转弯等行动来防止车辆脱离轨道。K60读取由照相机获得的图像信息和速度传感器获得的速度。通过PID控制器对小车速度和转向进行控制。另外，由于作者对图像处理方面的知识有浓厚的兴趣，也想借此毕业设计的机会初步涉猎一些相关知识，为以后的研究生生涯打好基础。因此虽然例如光电传感器有着操作简单和抗干扰能力强等优点，本设计中并没有使用诸如此类的传感器。

为了研究基于车道线检测的智能小车，在仔细研究国内外各种相关文献的基础上，最终完成了该智能小车的研究。研究内容主要有如下几个方面：

1. 基于车道线检测的智能小车的硬件设计包括整体功能和各部分模块；
2. 基于车道线检测的智能小车的软件设计包括程序编写等；
3. 基于车道线检测的智能小车的测试与分析；
4. 系统整体设计

2.1 系统整体框架

为了使小车沿着规定的车道自动寻找道路中线稳定而快速地前进，小车必须具备一套实时检测道路信息和小车速度并能控制汽车速度和向的处理系统。小车主要由以下几大部分组成：最小核心系统版K60,图像采集模块OV7725，速度采集模块霍尔编码器，电机驱动模块，舵机模块以及电源管理模块。整个系统的结构示意图如图所示：

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