基于攝像頭的預(yù)測(cè)控制策略

　　要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的基于攝像頭的智能小車(chē)，第一步要做的就是將攝像頭輸出的模擬信號(hào)通過(guò)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換采集到單片機(jī)中，然后對(duì)采集到的原始的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲取賽道中央的黑線(xiàn)在圖像坐標(biāo)系中的位置。

　　接著，就要利用處理得到的圖象信息對(duì)智能小車(chē)進(jìn)行控制。就目前而言，各參賽隊(duì)用的最多的橫向控制(轉(zhuǎn)向控制)就是PID控制。采用PID控制方式，無(wú)需對(duì)攝像頭作嚴(yán)格的標(biāo)定，因?yàn)橹豁殞⒑诰€(xiàn)在圖像坐標(biāo)系中的位置偏差乘相應(yīng)的PID系數(shù)，就可以作為轉(zhuǎn)向的控制律，至于PID系數(shù)取多少，則可以通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)調(diào)試而獲得合適的取值。正因?yàn)檫@樣，PID控制方式簡(jiǎn)單易行。

　　而PID控制方式卻有其局限性，其最大的局限性就是無(wú)法很好控制智能小車(chē)的行駛線(xiàn)路(簡(jiǎn)稱(chēng)“走線(xiàn)”)。PID參數(shù)的變化會(huì)引起小車(chē)走線(xiàn)的變化，即使PID參數(shù)相同的情況下，小車(chē)速度的或高或低同樣會(huì)引起小車(chē)走線(xiàn)的變化。這樣，因?yàn)樾≤?chē)走線(xiàn)的不確定性，為了比賽時(shí)小車(chē)不沖出賽道，只有盡量控制小車(chē)完全沿線(xiàn)行駛，這樣才能使小車(chē)無(wú)論在左側(cè)還是右側(cè)都有較充足的賽道裕量。但另一方面，完全沿著賽道中央黑線(xiàn)的走線(xiàn)也許并不是最優(yōu)的走線(xiàn)，比如，在一些特殊路段抄近道，可能會(huì)使走線(xiàn)更優(yōu)，從而提高比賽成績(jī)。往下所要介紹的預(yù)測(cè)控制策略，就是為了達(dá)到使小車(chē)走線(xiàn)盡可能最優(yōu)的目的。

　　基本思想

　　預(yù)測(cè)控制的基本思想是：在每一控制周期內(nèi)，通過(guò)攝像頭獲取車(chē)前方一定區(qū)域內(nèi)黑線(xiàn)的位置信息——與PID控制方式不同的是，預(yù)測(cè)控制多了攝像頭標(biāo)定這一步，即將黑線(xiàn)在圖像坐標(biāo)系下的位置轉(zhuǎn)換成世界坐標(biāo)系下的位置——然后規(guī)劃出一條較優(yōu)化的走線(xiàn)，成為期望走線(xiàn)。然后根據(jù)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和轉(zhuǎn)向模型可以確定(一種最優(yōu)化問(wèn)題求解的過(guò)程)，在往下若干個(gè)控制周期內(nèi)，轉(zhuǎn)角控制量依次取多少時(shí)，小車(chē)走線(xiàn)才能最“接近”規(guī)劃出的期望走線(xiàn)。僅僅選取求解出的當(dāng)前控制周期的轉(zhuǎn)角控制量作為實(shí)際的轉(zhuǎn)角控制量。在下一周期，將重新進(jìn)行一次上述的規(guī)劃、最優(yōu)化求解過(guò)程，如此反復(fù)循環(huán)執(zhí)行下去。具體介紹如下文所示。

　　攝像頭標(biāo)定

　　因?yàn)橐M(jìn)行走線(xiàn)規(guī)劃，就得獲取黑線(xiàn)的實(shí)際位置信息。通過(guò)攝像頭所獲得的只是黑線(xiàn)在圖像坐標(biāo)系下的位置。因此，首先得求出圖像坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的變換關(guān)系，這個(gè)變換關(guān)系是一個(gè)仿射變換關(guān)系，可以事先寫(xiě)出這個(gè)變換關(guān)系的形式，然后再取一些標(biāo)定樣點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算標(biāo)定出這個(gè)變換關(guān)系形式中的各個(gè)參數(shù)。攝像頭標(biāo)定因?yàn)椴蛔鳛楸疚闹攸c(diǎn)，受篇幅所限，具體細(xì)節(jié)不在此贅述。

　　走線(xiàn)規(guī)劃

　　在賽車(chē)比賽中，走線(xiàn)選取的好壞可以作為評(píng)價(jià)車(chē)手水平高低的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在智能小車(chē)比賽中，走線(xiàn)選取的好壞同樣顯得很重要。針對(duì)不同類(lèi)型的賽道甚至賽道組合，走線(xiàn)的選取，既要考慮到走線(xiàn)路程的長(zhǎng)短，還要考慮到相應(yīng)的速度限制，因此，如何走線(xiàn)是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。在各種走線(xiàn)規(guī)劃的策略中，一種最樸素而且效果也較明顯的想法就是“抄近道”。所謂抄近道就是在小車(chē)不沖出賽道的前提下，使小車(chē)在賽道上沿盡可能短的路線(xiàn)前進(jìn)。最典型的兩種抄近道的表現(xiàn)方式如圖1所示，即蛇形道(a)和單向彎(b)上的抄近道。