團(tuán)隊(duì)致力于編程一輛自主遙控車/玩具車，使其能夠沿車道行駛并在紅色停車標(biāo)志處停下。

本項(xiàng)目所用物品

硬件組件

羅技 HD Pro 網(wǎng)絡(luò)攝像頭 x 1

樹莓派4B x 1

光學(xué)速度編碼器 x 1

便攜式充電器 x 1

軟件應(yīng)用與在線服務(wù)

OpenCV——開源計(jì)算機(jī)視覺庫

手工工具與制造設(shè)備

無繩電鉆/驅(qū)動(dòng)器

銼刀

通用電烙鐵

項(xiàng)目背景

在本項(xiàng)目中，我們成功利用樹莓派的能力，結(jié)合速度編碼器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，分別通過內(nèi)核空間的gpiod驅(qū)動(dòng)和Adafruit的I2C函數(shù)進(jìn)行接口連接，從而創(chuàng)建了一輛能夠保持車道的遙控車。我們使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭和OpenCV方法實(shí)現(xiàn)了車輛的車道保持能力，使車輛能夠通過PD控制熟練地檢測并自主跟隨車道標(biāo)記。車輛保持在車道范圍內(nèi)，在第一次看到紅色（即第一個(gè)停車標(biāo)志）時(shí)停下，3秒后再次啟動(dòng)，并在遇到第二個(gè)停車標(biāo)志（第二次看到紅色）時(shí)永久停止。

本項(xiàng)目參考了用戶raja_961在AutoDesk Instructables上的項(xiàng)目：

“使用樹莓派和OpenCV的自主車道保持車”。Instructables。

網(wǎng)址：https://www.instructables.com/Autonomous-Lane-Keeping-Car-Using-Raspberry-Pi-and/

此外，我們還參考了此Hackster項(xiàng)目以指導(dǎo)我們的停車標(biāo)志檢測邏輯。

https://www.hackster.io/beagle-bone-baja-blast/beagle-bone-baja-blast-eae48e

為了優(yōu)化車道保持遙控車的性能，我們在攝像頭的分辨率上做出了戰(zhàn)略性決策。盡管原生分辨率為1280x720，但我們明智地將其降為176x144。這一調(diào)整在計(jì)算機(jī)視覺功能所需的細(xì)節(jié)與我們的樹莓派4的處理能力之間取得了平衡。選擇更高的分辨率會(huì)損害幀生成率，而幀生成率是實(shí)時(shí)響應(yīng)性的關(guān)鍵因素。

我們通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析過程精心指導(dǎo)了預(yù)定義比例增益（kp）和微分增益（kd）值的調(diào)優(yōu)，該過程涉及比較程序期望的轉(zhuǎn)向角度與實(shí)際轉(zhuǎn)向角度，并將其與車輛PD控制前后的轉(zhuǎn)向值進(jìn)行比較。由此，我們確定了給定的kp和kd值變化將在車輛的實(shí)際轉(zhuǎn)向中產(chǎn)生多大影響。在嘗試了各種比例增益值后，我們確定了kp = 0.08的最佳初始增益，以確保車輛對車道偏離做出準(zhǔn)確響應(yīng)。微分增益旨在抵消比例分量引起的振蕩，被設(shè)置為kd = 0.3 * kp。在反饋回路中同時(shí)使用這兩個(gè)分量，我們的代碼根據(jù)計(jì)算出的偏差動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)向量。偏差計(jì)算為期望轉(zhuǎn)向角度與預(yù)定義角度（本例中為90度）之間的差值。

停車標(biāo)志邏輯涉及停車標(biāo)志檢測、第一個(gè)和第二個(gè)停車標(biāo)志的處理以及計(jì)時(shí)。攝像頭每隔幾幀就會(huì)定期掃描紅色地面（模擬停車標(biāo)志）。一旦檢測到第一個(gè)停車標(biāo)志（通過攝像頭有限區(qū)域內(nèi)存在一系列RGB值來表示），車輛將暫停計(jì)算出的3秒鐘。在此間隔后，車輛將平穩(wěn)恢復(fù)速度。為了防止在第一個(gè)停車標(biāo)志后立即檢查第二個(gè)停車標(biāo)志，我們引入了故意延遲。這確保了第二個(gè)停車標(biāo)志僅在定義的寬限期后才被考慮。一旦開始，檢測到第二個(gè)停車標(biāo)志將促使車輛永久停止。這一復(fù)雜的邏輯增強(qiáng)了車輛對交通信號(hào)的響應(yīng)性和遵守性。

以下圖表顯示了車輛在賽道上單次運(yùn)行過程中誤差、轉(zhuǎn)向電壓和速度電壓隨時(shí)間（幀數(shù)）的變化：

聚焦于速度電壓值：

（圖表顯示，基于編碼器定時(shí)，速度電壓有非常微小的波動(dòng)變化，這與我們的預(yù)期一致）

以下圖表顯示了車輛在賽道上單次運(yùn)行過程中誤差、比例響應(yīng)和微分響應(yīng)隨時(shí)間（幀數(shù)）的變化：

聚焦于比例增益值：