智能型动态图像追踪自控车

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去年十月份Toyota Lexus 的2007 年最新车款Lexus LS 460 和Lexus LS 460L 在美国市场上市，两部车子都装置了Toyota 最新发展的”高级停车导引系统(Advanced Parking Guidance System)”，这个系统是使用一个向后的摄像头和停车声纳传感器侦测周边状况，驾驶人靠在一个停车位旁边，按个按钮，踩煞车以控制速度，系统便会自动接手控制电动动力方向盘，完成路边停车的动作。除此之外，在目前最常应用于工厂自动化系统之中的自动导引车辆(Automatic Guided Vehicle, AGV)系统，可按照程序所下的命令及导引路线进行、停止、转弯，并能和搬运系统作连结；AGV是一种物料搬运设备，能在固定位置自动进行货物的装载，并自动行走到另一位置，以完成货物的卸载的全自动运输设备。AGV基本功能为能自动依循固定的轨道行走，虽然说这个技术早己引用在工厂中，但是由于路线必须是规划好并在地上画上行走路径，并无法应用于较复杂的环境之中，而我们所提出来的设计，是利用图像来辨别标志，而标志摆放位置也可以根据实际的应用环境来做改变，所以应用范围较传统AGV更为广泛。
　　不仅如此，本设计也具有特定标志搜寻功能，能够自动的分析现有的图像信息，自动锁定目标物并进行自动化车控的控制，故我们设计这套系统来协助民众自动停车、自动倒车入库，也可应用于机场对飞机的管控或是任何具有动力的交通运输工具。本文将机械视觉算法以硬件加速的模块实现，结合多核的高效能的嵌入式处理器Nios，完成一个自动化汽车导引的平台，未来可实现很多汽车驾驶安全方面的应用，包括防撞、车道偏离警报和车道维持(可导引驾驶人回到原车道)、背面障碍物警报、行人监测、车距监测(让驾驶人和前车保持适当的距离)、夜视、自动头灯调节、交通/限速标志识别和盲点监测等等。
设计介绍
　　我们使用“软硬件共同设计 (Co-design)方法”集成图像输入端、车控平台及动力控制模块，完成自动化目标追踪的实验平台，通过效能佳的软核CPU来控制外围的模块，并利用VHDL自制图像处理核心电路，建立智能型图像追踪的嵌入式系统平台，如图1所示。
  

图1 智能型图像追踪的嵌入式系统平台

系统核心组成器件可分成以下三类：
　　1. CMOS 传感器硬件模块：CMOS 传感控制器 、数据简化、SDRAM 控制器
　　(1)  CMOS 传感器控制器：驱动CMOS 传感器并进行连续图像撷取，将动态图像数据流传入。
(2)  数据简化：将CMOS 传感器撷取的图像数据(GB&GR)进行压缩，以便大幅减少计算量及分析时间。
(3)  SDRAM 控制器：通过六组FIFO控制器，将SDRAM资源规划给两组CMOS传感器控制器及VGA控制器来使用(三写三读)。
2. VGA硬件模块：
　　(1) VGA 控制器：通过其器件，可以实时将图像直接显示在VGA上。
(2) XY  Histogram：并通过XY坐标标示出目标位置，并在实时图像上进行X轴及Y轴的图像数据统计(Histogram)。

3. 动力控制：
　　通过第二颗软核CPU来依序执行外部给入的命令，CPU通过四组PIO来驱动车体前后轮的控制电路，达到车体前进、后退、左转、右转的控制。
　　主要硬件器件
　　以SOPC Builder完成双CPU核心的设定，并利用Verilog设计硬件电路器件，以waveform进行时序仿真并验证，再通过PIO方式和CPU连结，除了SOPC Builder所提供的外围电路以外尚有双CMOS 传感器图像撷取电路、六端口SDRAM控制器、VGA控制器(含图像处理电路)，说明如下，如图3所示，自行开发的硬件电路已集成为一个较大的模块(在图2左方的方块)，而图3右方的方块则是利用SOPC Builder所建立的双CPU模块。

图2  硬件器件

1. 双核处理器：
　　在图3中的cpu_0是用来控制CMOS 传感器及图像处理所用，而cpu_1是用来控制车控动力的。

图3  双CPU系统

   2. 2个 CMOS 传感器撷取：
　　撰写镜头图像撷取的控制硬件电路，并利用DE2发展板上的双IDE接口(Expansion Header1,2)可同时撷取到双重镜头的图像。
　　3. 多端口SDRAM 控制器：
　　利用Mega Wizard Plug-In Manager来生成三写三读的六接口FIFO(以内置RAM实现)，让二组CMOS 传感器撷取及一组VGA 控制器能读写SDRAM设备。
　　4. VGA 控制器 和图像处理：
　　撰写VGA输出的硬件控制电路，并在图像输出的同时，进行X轴及Y轴的图像数据统计，并将结果存于片上内存(On-Chip Memory)之中，以便Nios处理器来读取。

.　SOPC系统端接口设定

图4  系统端SOPC接口设定
　　由DE2发展板所提供的范例新增用户自定脚位来控制自制的外围电路，并通过PLL生成100MHz频率的时钟源供SDRAM来使用，如图5所示。

图5  cpu_0在SOPC(上)及在NIOS IDE(下)中的内存配置
　　.　系统软件执行时内存的配置
　　由于开发板上的SDRAM已被CMOS 传感器撷取及VGA 控制器所使用，所以cpu_0及cpu_1的程序内存是放于Flash上，而cpu_0执行程序时的例外向量是放于SRAM上；而cpu_1是放于片上内存之中，当然在NIOS IDE开发该CPU的软件时，也必须分别要把变量堆叠区指定到相关的内存之中，如图5、图6所示。

图6  cpu_1在SOPC(上)及在NIOS IDE(下)中的内存配置效能参数

本设计主要是针对每秒10张frame，而每个frame为640×480全彩24bit的实时图像进行图像辨视，每秒必须处理8.78M Byte的数据量，并进行二值化及X轴、Y轴Histogram的图像处理，由于必须快速处理大量图像信息，所以采用硬件加速，软件控制的架构来实现，此外，由于本设计的SDRAM资源可以切换给Nios来使用，所以亦可使用Nios来读取SDRAM的图像信息并进行图像处理，此外，在测试图像处理算法时，也利用BCB开发出PC端的仿真程序，而配备如下(Intel 1.6GHz Core Duo,1G RAM, 1.3 Mega CMOS 传感器 )，以下就三者实验数据进行比较，如表1所示。
设计架构　
　.　系统流程

图7 系统流程图

系统流程如图7所示。

　　.  系统架构图

图8 系统方框图

由系统方框图8可知，本设计使用双核的系统，其中一个CPU是用来控制CMOS 控制器模块，而另一个CPU可以控制大部份的外围器件，而两个CPU之间是利用输出及输入PIO脚位，来达到传递数据的目的，这样设计的好处是，可利用一个CPU全速处理大量图像信息，而另一个CPU可以负责车控系统，若从图像中侦测到偏离或碰撞危险时，将能通过PIO来触发另一个CPU的中断，进而实时告知车控系统下达较正方向或闪避的控制命令，本设计使用到许多的外围器件包含：Flash Memory、SDRAM、SRAM、M4K RAM、LCM、JTAG-UART、RS232、GPIO、Button、Switch、Timer、LED、Segment、VGA、CMOS 传感器等。
　　.　图像处理方框图

图9图像处理方框图

由图9可发现，本设计之所以能达到实时图像及实时动态追踪，是因为当CMOS 传感器下图像撷取时，便能通过硬件器件，将数据从RAW Data转成RGB再进行二值化或灰阶的处理，以利进行图像处理，而且同时亦在VGA上立即显示出该图像，整个过程均是由硬件来做;在图像追踪时，Nios可以通过X轴或Y轴的直方图统计方式来进行标示目标物，所以一张新的图像进来时，Nios并不用做任何处理，即可读出所需要的数值，这样一来才能达到所期待的硬件加速效能。

表1  三种图像处理平台的效能分析

       .　软件流程
　　1.为了加速运算，由硬件分别做了二值化和数据统计。
2.一开始先搜寻目标标线位置。
3.找到标线后进行动态锁定。
4.开始判断标线长度，自控车是否在标线最近距离，若否，则判断标线长是否大于标框长的70%，如果大于70%则放大标框。
5.由PIO送出前进的控制信号给自控车。
6.若自控车在标线最近距离则判断是否为左右转标线，若是 则依标线左(右)转，否则停止动作。
　　.　硬件电路
　　(1) 双CMOS 传感器图像撷取器件：通过Switch开关来达到切换主画面/子母画面的功能，Frame的速度由其中一个CMOS 传感器来主导，每一次CMOS 传感器所输出的数值为10bit，并同时输出该pixel的x,y坐标，以利读取。
(2) 多端口 SDRAM 控制器：通过六个FIFO来提供三读三写的SDRAM控制器，每一个FIFO的大小为2KB，全利用M4K RAM来生成。

        VGA 控制器 & 图像处理：将SDRAM读来的数值，配合适当的H_sync及V_sync信号一个一个把Pixel打出去，在这同时亦顺便进行X轴或Y轴的直方图统计，并将结果存储于另一个M4K RAM中，待NIOS需要时即可以马上从此M4K RAM中读到数值。
　　.　直流电机驱动电路

我们使用全桥电路来控制轮子的正转及反转、Nios通过CAR_CMD[3..0]这个PIO来控制车体的运动，CAR_CMD[1..0]为后轮的开关，而CAR_CMD[3..2]为前轮的开关，在图十五中为一可控制电流正流或逆流的全桥电路开关，而前轮也相同，其中详细的控制命令，如表2所示。

表2  金桥电路控制命令
  

图10  软件流程图

图11  双CMOS 传感器模块

图12  6-ports SDRAM controlle

图13  VGA controler & Image Processing模块

图14 后轮的全桥电路开关
实境测试
　　在图15中，智能型图像追踪车已锁定特定的目标物了，并朝著目标物前进，图中可以清楚地看出除了自色箭头标志外，尚有许多其它的白色干扰物，如白色墙壁、面纸…等，而在图16中是智能型图像追踪车的VGA输出，可以清楚地看到图中是二值化的图像，并且已智能型图像追踪车已锁定白色箭头标志(绿框围住)，在车体前进时，绿框会自动变大并锁定白色箭头。

图15 智能型图像追踪车正朝著目标物前进

图16 智能型图像追踪车前进时锁定的目标

图17 智能型图像追踪车
结语
　　本设计使用两颗嵌入式Nios软核，通过快速设计且高集成性的Avalon总线，将复杂的外围电路及数种内存模块集成为车控平台，通过Nios高性能的表现，可以很轻易地实现实时图像处理及高速自动控制的产品。图17为最终设计成型的智能型图像追踪车。