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原创作者:MingruiYU
原创链接:https://www.cnblogs.com/MingruiYu/p/12184953.html

简介

本项目的GitHub链接

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本项目是学校项目设计课程内的项目,要求是使用一个基于树莓派的小车来实现一些简单的功能。

本项目适合初次接触树莓派,希望利用树莓派及小车配件实现一些简单功能的同学们。

目前我们实现的功能有:

  • 自动避障:基于超声波和红外,使小车在运行过程中不会撞上障碍物;
  • 实时图像传输:将树莓派摄像头拍摄到的视频流传到PC端,并在PC端查看;
  • 视觉车道循迹:基于视觉,使小车沿车道线行驶;
  • 目标检测:识别并定位摄像头图像中的各类常见物体;
  • 网球追踪:基于视觉,使小车追踪一个移动的网球,并与网球保持一定距离。

学校提供的小车的商家是慧净电子,商家提供了一些使用教程,适合初学,基于C语言,实现了一些简单的红外避障、红外寻迹、超声波避障和摄像头调用。

本项目选用Python作为编程语言,有几点原因:Python相比较C语言更简明;我们对Python的掌握情况更好一些(C语言没学好啊);方便之后使用tensorflow做一些深度学习的功能。但同时带来的缺点就是运行速度会差一点。

下面我们会对小车配置、功能实现和使用方法进行详细的介绍。本文结构如下:

  • 配置要求
  • 项目架构
  • 准备工作
  • 硬件调试
  • 功能实现(原理介绍)
  • 功能实现(使用教程)

若想成功实现本项目的功能,请:

  • 首先确保完成准备工作
  • 之后进行硬件调试
  • 之后在阅读过功能实现-原理介绍的基础上
  • 根据功能实现-使用教程来运行相应程序、实现功能

配置要求

  • 树莓派3
  • 驱动板(L298N)
  • CSI摄像头
  • 超声波测距传感器
  • 红外避障传感器
  • 小车车体 + 4个电机
  • 电脑 (Ubuntu18.04)

项目架构

我们的源代码全部放在PythonCode文件夹内。

我们对每个传感器定义了一个类,放在相应的py文件里,由此可以很清晰方便地对每个传感器进行单独的调试。

名称以main开头的文件是实现相应功能的主程序,在主程序里定义了一个Car类,该类继承了所有传感器的类。

准备工作

重装树莓派的系统

商家给树莓派预装了系统,应该是商家自己改过的,也是几年前的了。强烈建议自己将树莓派的系统进行重装(重装后opencv和tensorflow的安装都会简单很多),推荐安装树莓派的官方系统Raspbian。安装方法百度一下,教程很多,也很简单。

关于树莓派教程,推荐树莓派实验室|开箱上手必读,里面的教程基本准确好用。

使用SSH登录,操作树莓派

对树莓派进行操作的方法有很多:

我们基本上是使用SSH登录到树莓派进行操作的,也就是使用putty登录。这需要树莓派和PC在同一个局域网下,我们选择让树莓派创建一个WiFi热点,然后让PC连接这个WiFi热点。方法:创建WiFi热点并开机自启动,其中使用了github上一个开源的库create_ap。同时,还要设置热点开机自动启动。另外注意要设置开启树莓派的SSH服务,否则putty连接会显示失败。

更换下载源

使用官方的源因为众所周知的原因会非常慢且不稳定,所以要换成国内的源。

OpenCV安装

使用最新版树莓派系统,可以直接用pip3安装OpenCV。

教程:python3 + opencv

硬件调试

首先需要确定树莓派、驱动板、传感器之间的连线是正确的。

电机

直流电机相关知识

  • 工作原理
  • H桥
  • PWM

电机相关代码在move.py内。需要注意GPIO端口号的设置,python用的是BCM编码。

基于树莓派的智能小车:自动避障、实时图像传输、视觉车道线循迹、目标检测、网球追踪 Python 第1张

在move.py中,定义了前进、后退、左转、右转、停车功能。转弯是通过左右轮差速实现的。

超声波测距传感器

超声波测距传感器有关知识

  • 超声波测距基本原理
  • 超声波测距程序实现
  • 提升测距准确性的方法

超声波相关代码在ultrasound.py内,实现了超声波测距和对测距进行移动平均来减小误差。

红外避障传感器

红外避障相关代码在infrared.py内,InfraredMeasure函数是小车左右的两个红外避障传感器,TrackingMeasure是小车底部两个红外寻线传感器。

注意,红外避障传感器传回0表示前方有障碍物,传回1表示前方无障碍物。

摄像头

调用摄像头需要先在sudo raspi-config中启用Camera,然后重启。

python调用摄像头有两种方式:

  • 使用picamera
  • 使用opencv

我们使用的是picamera方式,因为我们发现使用OpenCV的方式会有延时,它返回的第一帧图像是在镜头初始化那一刻的图像,而不是主程序请求时的图像。

具体调用方法参考 树莓派(Raspberry Pi)中PiCamera+OpenCV的使用

摄像头相关代码在camera.py中,其中实现了:

  • 摄像头初始化
  • 实时图像传输(发送端),注意HOST为PC在此WiFi网络下的IP地址(通过ifconfig查看),PORT设置一个和接收端相同的端口号就可以。

另外注意,程序终止是一定要关闭摄像机(camera.close()),否则下次无法正常打开。

功能实现(原理介绍)

自动避障

基于树莓派的智能小车:自动避障、实时图像传输、视觉车道线循迹、目标检测、网球追踪 Python 第2张

基于超声波和红外,使小车在运行过程中不会撞上障碍物。

主程序为main_obstacle_avoidance.py,其思想很简单,超声波传感器测出小车距离前方障碍物的距离,两边的红外传感器测出两边是否有障碍物,根据测量结果进行运动决策和电机控制。

实时图像传输

将树莓派摄像头拍摄到的视频流传到PC端,并在PC端查看。目的是为了便于摄像头姿态的调整和图像处理算法的调试。另外,如果需要的话可以使用传输到PC的图像在PC端进行处理(我们没有实现此功能)。

可选择的传输协议有两种:

  • TCP:面向连接,提供可靠地服务,无差错,不丢失,不重复;实时性差,效率低;系统资源要求较多。
  • UDP:可以无连接;尽最大努力交付,即不保证可靠交付;实时性强,效率高;系统资源要求较少。

我们使用UDP传输协议进行图像传输。具体实现主要分为发送端和接收端两部分:

  • 发送端:(camera.py VideoTransimssion)
    • 图像编码(cv2.imencode)
    • 校验数据发送(数据长度作为校验)
    • 编码数据发送(socket.sendall)
  • 接收端:(pc_receiver.py)
    • 接收校验数据(4字节数据)
    • 接收图像编码(校验数据后的第一个数据包)
    • 简单校验(校验数据 == 编码数据长度)
    • 图像解码(cv2.imdecode)
      其中,发送端在树莓派端运行,接收端在PC端运行。二者同时运行。

视觉车道循迹

基于视觉,使小车沿车道线行驶。环境要求为白色的地板,黑色(深色)的车道线。

基于树莓派的智能小车:自动避障、实时图像传输、视觉车道线循迹、目标检测、网球追踪 Python 第3张 基于树莓派的智能小车:自动避障、实时图像传输、视觉车道线循迹、目标检测、网球追踪 Python 第4张

主程序为main_lane_tracking.py,其流程大致如下:

  • 车道线检测
    • 图像二值化,提取车道线
    • 提取车道线的内侧点:在图像的特定行,从中间向两侧检索,检测到0像素点及为车道线点。图像左半边检测到的点即为左车道线点,右半边检测到的点即为右车道线点。(为防止因各种原因车道线部分缺失,我们选择图像4个行提取4组车道线内侧点)
  • 运动控制
    • 运动决策
      • 如果两侧车道线都能检测到,则直行
      • 如果只能检测到一侧车道线,则有三种情况:
        • 该侧车道线靠近图像边缘,则还可以继续直行
        • 该侧车道线靠近图像中央,则急需转弯,原地旋转
        • 该侧车道线位置适中,则缓慢转弯,在前进中转弯
      • 如果两侧车道线都检测不到,则维持之前的动作
    • 电机控制:根据决策结果,控制小车电机输出

在本实验中,车道线检测部分较容易实现,我们发现,在这种简单的环境下,固定阈值的二值化效果比大津法好。另外,因为我们的车道线偏蓝色,我们选择提取图像的R通道进行二值化。检测效果如图:

基于树莓派的智能小车:自动避障、实时图像传输、视觉车道线循迹、目标检测、网球追踪 Python 第5张

运动控制部分相对较为复杂,我们只采用了一个简单的逻辑,效果还可以。

目标检测

识别并定位摄像头图像中的各类常见物体。

基于树莓派的智能小车:自动避障、实时图像传输、视觉车道线循迹、目标检测、网球追踪 Python 第6张

主程序为main_object_detection.py,其调用了TensorFlow Object Detection API,使用了训练好的的SSDLite目标检测模型,在树莓派端进行目标检测。

TensorFlow安装方法及TensorFlow Object Detection API配置方法可以完全参考此文档:EdjeElectronics/Tutorial to set up TensorFlow Object Detection API on the Raspberry Pi

或者TensorFlow Object Detection API可以直接clone这位的 xyc2690/Raspberry_ObjectDetection_Camera,可以不用配置TensorFlow Object Detection API,下载即用。

我们使用的SSDLite模型主要优点是运行速度快、占用内存小,适合在树莓派端进行运算。据我们测试,帧率大概为0.8帧/s。我们使用的是树莓派3,如果是更新的型号,速度会更快一点。

网球追踪

基于摄像头,使小车追踪一个移动的网球,并与网球保持一定距离。

基于树莓派的智能小车:自动避障、实时图像传输、视觉车道线循迹、目标检测、网球追踪 Python 第7张

主程序在main_tennis_tracking.py中,网球追踪流程大概如下:

实验显示:
在不同光照条件下,网球的色调(H)基本上保持一致,范围大致在25至50 (OpenCV范围),在可靠明亮的光照条件下,范围大致在30至40。

网球检测的程序在detect_new.py中,具体流程如下:

  • 关注区域裁切:裁掉不可能出现网球的区域
  • 高斯滤波:去除一定噪声
  • 霍夫圆检测:检测出图像中所有可能存在的圆(视频中的绿色圆)
  • 针对每个检测出的圆的内切正方形:
    • RGB to HSV
    • 利用HSV域计算符合网球颜色的像素点数目
    • 统计上述像素点数目占比
  • 选出占比最大的圆,若其占比大于设定阈值,则认为是网球(视频中的红色圆)
基于树莓派的智能小车:自动避障、实时图像传输、视觉车道线循迹、目标检测、网球追踪 Python 第8张

经测试,帧率大概在15帧/s。

运动控制的程序在main_tennis_tracking.py中,具体流程如下:

  • 移动平均:对检测得网球位置进行移动平均,减小误差
  • 决策:根据当前网球相对于小车的位置,决策下一步的动作
    • 根据网球x坐标决策转向动作
    • 根据网球半径r决策前进后退动作
  • 控制:根据决策结果,控制小车电机输出

目前存在的问题:

  • 我们使用的小车是4电机四驱差速转向小车,但在没有细致调教的差速控制算法的情况下,这样的配置使得在小车在转弯的时候存在较大的滑动摩擦(a skidding turn),所以转向时小车存在一个“最低启动速度”,当PWM的占空比小于一定值时,小车由于摩擦力的原因无法真的转起来,在原地“蹩着”,所以要小车转起来,只能给一个相对大的速度,这样就很容易转向过度。
  • 同时,由于摩擦力,小车在转向时也存在明显的车身抖动,使得转向时拍摄的图像发飘发糊,导致此时网球检测得效果也收到影响,进一步影响了转向追网球的准确性。
  • 网球检测的效果受光照的影响还是挺大的,白天光照充足的环境下(白天室外)效果会好很多。

功能实现(使用教程)

自动避障

在树莓派终端中输入:

cd PythonCode
python3 main_obstacle_avoidance.py

实时图像传输

树莓派发送图像,在树莓派终端输入:

cd PythonCode
python3 camera.py

同时,如果想在PC端接收图像,在PC终端输入:

cd PythonCode
python3 pc_receiver.py

NOTICE:camera.py和pc_receiver.py均需要根据具体情况配置HOST和POST:

  • 二者中的HOST均为PC在此WiFi网络下的IP地址(通过ifconfig查看)
  • 二者的PORT设置为同一个端口号就可以(eg:8000)。

视觉车道循迹

在树莓派终端输入:

cd PythonCode
python3 main_lane_tracking.py

如果想在PC端接收车道检测图像,则在PC终端输入:

cd PythonCode
python3 pc_receiver.py

目标检测

在树莓派终端中输入:

cd PythonCode
python3 main_object_detection.py

如果想在PC端接收图像,则在PC终端输入:

cd PythonCode
python3 pc_receiver.py

NOTICE:Tensorflow Object Detection API 和 ssdlite模型并未上传至此仓库,需要自行安装。二者的安装和配置方法请参考此文档:EdjeElectronics/Tutorial to set up TensorFlow Object Detection API on the Raspberry Pi
; 或者TensorFlow Object Detection API可以直接clone这位的 xyc2690/Raspberry_ObjectDetection_Camera,可以不用配置TensorFlow Object Detection API,下载即用。

网球追踪

在树莓派终端输入:

cd PythonCode
python3 main_tennis_tracking.py

如果想在PC端接收网球检测图像,则在PC终端输入:

cd PythonCode
python3 pc_receiver.py

Notes

All tutorials on Raspberry-Pi | GitHub

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