汽車信息化、智能化是當(dāng)今汽車研究的重點(diǎn)，已經(jīng)成為衡量各國汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志［1］，智能汽車作為一種全新的汽車概念和汽車產(chǎn)品，將成為汽車生產(chǎn)和汽車市場的主流產(chǎn)品［2］。而“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車競賽由高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦，飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦，并由各個(gè)分賽區(qū)的承辦大學(xué)組織。比賽以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性，旨在培養(yǎng)大學(xué)生對(duì)知識(shí)的把握和創(chuàng)新能力，以及從事科學(xué)研究的能力［3］。
　　根據(jù)“飛思卡爾”智能車大賽規(guī)則要求：使用統(tǒng)一車模，核心控制單元采用飛思卡爾MC9S12DG128CPU。在此基礎(chǔ)上，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)包括：傳感器信號(hào)的采集、處理電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制電路設(shè)計(jì)以及各類接口電路設(shè)計(jì)。控制方案設(shè)計(jì)包括：控制系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)、各類算法的設(shè)計(jì)及優(yōu)化等內(nèi)容。系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試完成后，在規(guī)定的、標(biāo)有引導(dǎo)線的賽道上完成自尋跡行走，其賽道是在白色底板上鋪設(shè)黑色引導(dǎo)線，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。比賽分為光電組和攝像頭組。筆者為攝像頭組，采用的是攝像頭尋跡方式。
　　智能小車（以下簡稱小車）的控制系統(tǒng)主要由三大部分組成：傳感器信號(hào)采集及處理、車速控制和轉(zhuǎn)向控制。由攝像頭采集道路信息，經(jīng)處理分析后識(shí)別路徑，根據(jù)不同的路徑?jīng)Q策出不同的速度和轉(zhuǎn)向角度［4-5］。在保證安全的基礎(chǔ)上，一方面需要考慮如何提高極限速度，另一方面需要考慮如何提高平均速度，其平均速度的大小最終將決定比賽成績。分析歷屆比賽可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)賽道中60%～70%的長度為彎道，因此，小車彎道行駛速度很大程度上決定了小車在整個(gè)賽道上平均速度的大小。本文將針對(duì)小車在行走過程中，就如何利用圖像數(shù)據(jù)，給出合理的轉(zhuǎn)向策略進(jìn)行深入探討。
　　就普通駕駛員而言，駕駛車輛行駛在公路上，直道時(shí)保持高速運(yùn)行狀態(tài)，而彎道時(shí)會(huì)根據(jù)不同的彎道做出合理的決策。一般為先減速，然后在一個(gè)比較低的速度下通過彎道，過彎后加速，最終回到直道速度。而在賽車場上的情景則不同，賽車選手輕易不會(huì)選擇普通駕駛員的轉(zhuǎn)彎策略，而是利用前輪轉(zhuǎn)向帶來的向心力并結(jié)合賽車入彎前的固有慣性達(dá)到快速轉(zhuǎn)彎的目的。對(duì)于一輛有視覺的智能小車是否也可以模擬這種高速運(yùn)動(dòng)過程，從而贏得比賽？筆者在綜合分析視覺圖像的特點(diǎn)、舵機(jī)模型以及圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)后提出了一種可以高速入彎而不必減速或輕微減速、同時(shí)又能保證小車不會(huì)沖出賽道的安全過彎策略。
　　1 道路信息提取
　　要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的基于視覺尋跡的智能小車，首先需利用攝像頭獲取道路信息，然后對(duì)采集到的原始圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以獲取賽道中引導(dǎo)線在圖像坐標(biāo)系中的位置［6-8］。
　　圖1為攝像頭安裝示意圖。其中，Z1為攝像頭距地面的高度；w為視野場景的寬度，其大小與攝像機(jī)安裝的俯角和高度都有關(guān)系；b為輪間距。對(duì)場景中的特征點(diǎn)，只要知道其在場景中的位置，即可計(jì)算出該點(diǎn)與小車的相對(duì)位置。由上往下延Z軸反方向看，可得到場景平面，如圖2所示。其中，場景平面離小車的距離為d，這段距離為盲區(qū)，場景平面寬為W，長為H。定義小車的中線為基準(zhǔn)線，由攝像頭獲得的圖像即是場景平面。受MC9S12DG128CPU單片機(jī)處理能力的限制，選用356×292 CMOS黑白攝像頭，將其設(shè)置為逐行掃描模式。單行采樣106點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮各種因素，選取其中64行信息形成一幅64×106的圖像平面，用來判斷彎道、直道以及彎道位置，從而達(dá)到減小計(jì)算量的目的。圖像如圖3所示。