基于FPGA的視覺導航小車設計與實現

摘要：視覺導航作為新興起的技術，受眾多研究者的青睞．設計了以現場可編程門列陣（FPGA）為控制核心的自主導航小車，采用一種新穎的自適應路徑識別算法實現路徑的識別與提取，并結合圓弧路線規劃和控制策略完成小車的自主導航控制．自適應路徑識別算法使導航小車可以適應多種光照和路面條件．測試結果表明，小車能夠在不同光照條件下的實驗室和露天田徑跑道環境中實現較好的導航效果，在田徑跑道上的導航測試中，小車的最高運行速度達到３.５ｍ／ｓ。

目前，在視覺導航小車的研究中所采用的控制處理核心大多是單片機或數字信號處理（DSP）芯片［1-2］。這類處理核心的優點是成本低，使用方便．但是由于單片機和DSP的圖像處理速度有限，所以需要對視頻圖像進行下采樣處理，以適應視頻采集的速率，從而影響了圖像處理和識別的效果．采用現場可編程門列陣（FPGA）芯片可以大大提高圖像處理和識別的速度，克服以上缺點．FPGA是一種新型的信息處理系統，是一個介于軟件和硬件之間的計算平臺．它既可以像軟件一樣現場編程，也可以像硬件一樣直接控制門電路進行運算，這個特性使得它更易于實現并行運算，提高圖像處理速度，保證圖像處理的實時性．因此FPGA非常適用于視覺控制系統的控制中心［3］。

在迅速準確地處理和分析圖像的基礎上，控制處理中心可以實時獲得小車與路徑的相對位置，并依此對小車進行路線規劃和運動控制，實現小車的自主導航．在路線規劃方面已有大量的研究［4-15］。Liu［９］、Fu［10］等以小車當前位置與目標位置之間的距離和轉角偏差作為參數設計模糊控制表，對小車進行控制；Hsueh等［11］對位置和角度偏差的計算方法進行改進，并設計比例－積分－微分（PID）控制器，實現了小車自主導航；劉海濤等［12］提出了基于模式匹配的模糊控制方法；李進等［13］提出了直線擬合提取路徑信息，結合PID控制完成小車自主駕駛的方法．任永新等［14］提出將控制分成２部分：大轉角部分采用模糊控制、小轉彎的路徑采用精確的控制方法．在小轉彎時，設計一條規劃圓弧路線，依據此圓弧路線的曲率半徑，通過一定的轉換關系得到控制小車２個驅動輪轉速的控制量，實現小車的轉向控制．本文以OV7620作為圖像傳感器，以FPGA為核心控制器，通過圖像采集、路徑識別以及查找表技術實現了小車導航控制系統。

１　硬件結構

自主導航小車的圖像獲取采用搭載OV7620圖像傳感器的C3188攝像頭模組，FPGA控制板采用Xilinx公司的Spartan3E開發板，小車為恒龍3851-2遙控四驅越野模型車。

小車通過圖像傳感芯片OV7620獲取圖像信息。FPGA以圖像傳感器芯片提供的３個時鐘信號作為同步信號完成圖像采集．通過FPGA控制板的數字接口直接連接攝像頭的８位數據線和相應控制信號，實現視頻信號的快速采集．圖像速率為30幀／s。

２　路徑識別與路線規劃

２．１　路徑識別
路徑識別首先要對圖像進行二值化處理。雖然在圖像二值化算法方面已經有很多研究，由于視覺導航對運算速度有很高的要求，所以普遍采用最簡單的固定閾值方法．但是固定閾值二值化方法對環境的光照條件和背景噪聲非常敏感，使得相應的路徑識別效果對環境條件要求高，而且非常不穩定．因此我們提出了一種自適應的路徑識別方法，把圖像二值化、路徑位置和寬度的確定這兩個分立的步驟結合起來，從一組預設的路徑寬度和二值化閾值出發，對圖像進行逐行處理，并根據上一行的寬度和閾值計算結果對寬度和閾值的預設值進行調整，當預設值與測量值趨于平衡時，識別結果趨于準確．具體的流程如圖１所示．在上電初始化時，以初始的閾值、車道寬度值和路徑中心點值作為預設值，對圖像第一行數據進行如下處理：
１）對一行圖像進行均值濾波。
２）根據預設的閾值對圖像進行二值化處理。
３）從預設的路徑中心點出發分別向視野的兩側搜索路徑邊緣。
４）計算路徑寬度和路徑中心點，把計算的路徑寬度值與預設值比較．當計算寬度值大于預設寬度值時，提高預設寬度和二值化閾值，反之作相反調整．路徑中心點直接作為新的預設路徑中心點。
５）若已到本幀圖像的最后一行，則跳到６）處理，否則返回步驟１）處理下一行圖像數據。
６）在下一幀圖像開始時，以上一幀圖像最后一行圖像處理后得到的路徑寬度和閾值作為預設值返回１）進行處理。

在以上自適應算法中，圖像的濾波和二值化是同時進行的，系統只需要存儲一行二值化后的圖像，在提高處理速度的同時，有效降低了存儲需求。

在步驟３）中，采用卷積的方法對路徑邊緣進行檢測并計算路徑的位置和寬度，其流程如圖２所示。從預設中心點向兩邊同時掃描，確定路徑的邊緣．利用路徑自身的連續性，使上一行的檢測結果在下一行的檢測中得到應用，有效提高了算法的穩定性和適應能力。

圖２中２個卷積函數在硬件上的實現方式分別為

從上式可知，Ｖ１、Ｖ２的取值范圍為８～１６，故定義當卷積值大于或等于１２時為路徑邊緣點判據．當左右邊緣搜索結束后，根據如下規則確定這一行路徑中心點和路徑寬度．記前一行路徑中心點為Ｍ０，當前所掃描到的左邊緣位置為Ｌ，右邊緣位置為Ｒ，當前行的路徑中心點位置Ｍ 和路徑寬度Ｗ 的計算方法如下：

以上４點中，除了第４）外，其余３點都對閾值及預定的路徑寬度進行了調整．我們用上一幀圖像第一行路徑的中心位置和寬度作為下一幀圖像的中心位置和寬度的預設值。

２.２　路線規劃
小車上的攝像頭是固定的，其視野范圍也隨之固定。圖３給出攝像頭的視野范圍及相對位置，其中梯形框為視野范圍，ｙ軸為小車前進方向，Ｏ為小車前軸中心點，Ｄ 為視野最前方的路徑中心點，即目標點．規劃路線為通過Ｏ 和Ｄ 點且與ｙ 軸相切的圓?。谛≤嚻x了路徑的情況下，規劃路線可以引導小車逐漸回歸導航路徑．根據圖３給出的幾何關系，可以得出規劃路徑的曲率半徑Ｒ 滿足方程

?

圖４給出小車在圓弧上行駛的示意圖，其中Ａ，Ｂ兩點分別代表小車前軸和后軸的中心點，Ｌ 為小車主軸的長度．從圖４可以得到小車舵機轉角與規劃路線的曲率半徑Ｒ 之間關系

ｓｉｎα＝Ｌ／２Ｒ． （３）
由于在實際行走的路線中，實際路線的曲率半徑Ｒ 遠大于車軸Ｌ，因此，式（３）可以簡化成
α≈Ｌ／２Ｒ． （４）

根據式（４）計算的轉角，可以對小車的舵機轉角進行實時控制．實驗中的小車采用脈沖調制（ＰＷＭ）控制器來控制舵機轉角．舵機轉角與輸出給控制器的占空比成正比，有
α＝μｘ， （５）
其中ｘ 為占空比，μ為比例系數。

由式（３）～（５）可知，控制舵機轉角的占空比與規劃路線的曲率是成正比關系

由于導航過程中，ｂ保持不變，所以只需測得目標點Ｄ 在視場中的橫坐標值ａ，即可根據式（７）求得控制所需的占空比，實現的小車的導航和控制。

任永新等［14］同樣采用圓弧路線規劃，但是采用小車前軸中點與預瞄點之間的距離為路線參數，這不利于計算，而我們給出的公式更有利于在圖像上直接獲得，更便于實時性計算．傳統的模糊控制中將路徑分區段和類型進行控制，控制是不連續、不精確的，而本文提出的圓弧路線規劃算法則具有連續精確控制的優點。