基于树莓派的多传感器远程驾驶小车设计

郭梦蝶,贺 飞,韩 磊

(沈阳科技学院,辽宁 沈阳 110167)

0 引言

近年来,信息技术和计算能力的提升推动了智能化技术的发展,远程驾驶技术也取得了全方位的突破。远程控制产品在各个领域得到了广泛应用,发挥着不可替代的作用。在搜救探测和智慧交通等领域,人们的需求不断增加,远程控制驾驶小车应运而生。在火灾现场、自然灾害发生地和人类未涉足的区域,探测者经常需要冒险进入复杂的环境中采集环境数据[1]。为了保证安全,可以使用远程驾驶小车代替人类完成相关工作。树莓派作为核心控制单元,引入了安全认证机制和数据加密技术优化数据传输和图像处理,通过远程数据操控小车,提高效率和便利性,推动智能交通的发展与应用。随着科技水平的进步,远程驾驶小车种类繁多,各类传感器设备被用于避障及探测模块上[2]。然而,探测数据可视化和丰富化方面仍存在缺陷。如何将各种传感器的信息融合,实现优势互补,是一个需要研究的课题。本设计选取树莓派做为主控制器,凭借激光雷达和双目摄像头等设备收集环境信息,并通过4G移动信号通信实现与控制终端信息交互的功能,使用C语言编写主程序实现信号加密传输与控制,实时将信号传输给控制器,实现对小车的定位追踪和调控[3]。

1 远程驾驶小车功能设计

1.1 设计目的

市面上有许多单一传感器的远程驾驶小车,这些产品存在感知能力受限、依赖环境条件、易受干扰、信息不全面等问题。单一传感器,如仅使用摄像头或激光雷达等,摄像头可能受到光线、天气和遮挡等因素的干扰,影响图像质量和识别能力;而激光雷达虽然能够提供较为准确的距离和位置信息,但对于透明物体或特殊表面可能存在识别困难。同时,在强烈阳光照射下,摄像头可能无法正确识别物体,或者在环境过于复杂或变化频繁时,激光雷达的数据处理和解释可能变得困难。另外,摄像头可能因干扰物或光线条件导致误识别物体或出现虚假识别;激光雷达数据也可能因被其他物体反射或干扰物遮挡而产生错误的距离测量。单一传感器的数据只能提供有限的信息,无法获得物体完整、多角度的视觉或距离信息。这可能导致在远程驾驶过程中忽略一些重要的细节或障碍物。

为了克服这些缺点,本设计使用多传感器融合的方法,即将多个不同类型的传感器组合起来,综合利用它们的优势和互补性。使用多传感器数据融合算法,可以提高远程控制小车的感知能力,增强对不同环境的适应性,降低错误和干扰的影响。

1.2 实现功能

树莓派远程驾驶小车通过多个传感器来感知外界环境,这些传感器是小车的“眼睛”,而树莓派控制器则是小车的“大脑”。具体而言,红外雷达、激光雷达、双目摄像头这3个传感器可以识别感知外界环境,并将相关信息传输到树莓派控制器中。该控制器通过对收集到的外界环境数据的整合,从中提取有用信息,经过处理后向各个板块和零件下达命令,从而提高了系统的容错性、安全性和便利性。

另一方面,本设计采用语音识别芯片LD3320和配套的模块控制电路以及STC公司的STC10L08XE单片机,成功实现了远程驾驶小车的语音控制系统。LD3320芯片集成了语音识别处理器和外部电路,因此,不需要额外添加RAM芯片或Flash等。当外部声音进入语音识别模块后,LD3320将处理后的语音数据传输到树莓派控制器进行处理,之后树莓派控制器发送控制命令数据到远程驾驶小车外围串行设备,实现控制操作[4]。

本设计采用了传感器信息融合技术,利用SLAM建模方法处理激光雷达测量的数据,从而获取环境中障碍物的精确距离信息。同时,利用SIFT算法从双目摄像头在不同视角或距离获取的图像中找出特征点进行匹配,得到旋转角度信息。通过导航工具箱消除机器人在行进过程中双目摄像头获取图像时间上的差异,结合激光雷达、红外雷达以及双目摄像头收集的信息,本设计融合了距离信息和旋转角度信息,由此确定移动机器人的初始位置并获得路标信息,构建了特征地图。最后,采用扩展卡尔曼滤波器进行自主导航[5]。

2 硬件组成

2.1 主控制模块

本设计以树莓派4B微型主板作为小车的控制核心,并搭载了ARM Cortex-A53 1.4 GHz 64位4核ARMv8 CPU。此外,该主板内存较大,具备可实现多方扩展功能的USB接口和更为先进的网络接口,同时还可以实现视频和音频的有效传输以及人机之间的数据交流[6]。

2.2 驱动电机模块

智能小车采用4个直流步进电机和TB6612FNG电机驱动模块进行运动控制[6]。TB6612FNG是一款高效率、大负载能力的直流电机驱动器件,它由TB6612FNG芯片、电源接口、电机输出接口和控制信号输入接口等组成。相比传统的晶体管H桥驱动器,它具有更高的效率和更大的负载能力。通过控制电机的速度和方向,小车可以适应各种环境,实现正转、反转、制动、启停等动作,使智能小车能够正常运行。同时,电机驱动模块接收PWM信号来调节电机速度,进而实现智能小车的运动控制。

2.3 红外雷达探测模块

该小车使用红外线传感器和光敏电阻器来检测周围环境。红外线传感器由发射管和接收管组成,当发射管发射一定频率的红外线时,如果没有检测到障碍物,接收管接收不到信号,电平保持不变;反之,如果前方有障碍物,接收管会接收到经过反射后的红外线,此时检测相关引脚的电平变化可以判断前方的障碍物情况和环境状况。

同时,小车还装有光敏电阻器,其电阻值随环境的光强而改变,二者呈现明显的负相关关系。将光敏电阻连接到主控板上,通过相关引脚的电平变化判断环境光的强弱[6]。

主控板接收信号后,结合上述2种不同信号,运用相关算法对周围环境情况进行分析,从而准确判断前方障碍物情况和光照状况。

2.4 激光雷达模块

在远程驾驶小车中,激光雷达是一种重要的传感器,可以广泛应用于车辆的环境感知和导航。其主要作用是通过发射激光束并测量其返回时间来获取环境的三维结构和信息。相比其他传感器,激光雷达不受光照条件限制,即使在黑暗环境中也能稳定工作。激光雷达的数据匹配定位具有很好的鲁棒性和精度,因此应用广泛。

本设计采用SLAMTEC思岚科技公司开发的激光雷达传感器RPLIDAR A2。该传感器结构包括激光测距核心、供电与机械部分、通信与供电接口以及USB转接模块等。其中,激光雷达测距的核心部分由发射头和接收头组成。发射头主要负责发射激光信号,接收头专门用于接收反射信号并进行专业处理。

RPLIDAR A2的工作原理:发射器发射激光信号,遇到障碍物产生反射,之后被激光接收器接收。激光接收器内部具有高速视觉采集处理机构,经过嵌入在RPLIDAR A2内部的DSP处理器实时处理信号,从而可以从通信接口输出被照射到的障碍物与RPLIDAR A2的距离值和角度信息。

2.5 双目视觉模块

树莓派微型电脑主板可以通过外接4G图像传输模块实现视频音频的实时传输,因此探测模块加装了线性CCD摄像头来对需要探测的环境进行图像采集,并将采集的图像资料转换成数据资料传输到小车控制主板。树莓派主板通过4G移动信号将图像传输到控制终端,然后由控制终端将控制指令传输到树莓派主控制器,主控制器控制电机做出相应的反应动作。摄像头的加入进一步丰富了小车的探测数据,弥补了激光雷达和红外线的探测结构可视性不够好的缺点,使得探测小车的应用范围更加广泛[6]。

3 探测信号传输

在系统激活后,CCD摄像头双目视觉模块开始工作,利用4G传输将收集到的图像信息送出至树莓派主控制器上,收到信号后树莓派主控制器向远程驾驶小车上的其他模块及零件下达命令,电机驱动模块开始工作。紧接着小车开始运动,CCD摄像头、激光雷达传感器、红外探测传感器运行。这样就可以通过收集到的数据进行即时定位和地图构建,进而确定小车的位置和周围情况。树莓派控制器在接收到消息后,对其进行整合并提取有用信息。再次将这些信息传输给电机驱动模块,不断调整行驶角度、方向、速度,使小车安全平稳运行。

4 结语

基于树莓派的多传感器远程驾驶小车的技术改进和未来的发展方向如下。

(1)改进传感器技术。传感器是多传感器远程驾驶小车的核心组件,不断提升传感器的性能可以增强系统的感知能力。

(2)加强算法和人工智能技术研发。多传感器远程驾驶小车需要利用大量的数据进行感知、决策和控制,需要针对不同的驾驶场景和情况设计和优化相关算法。

(3)加强通信和网络技术研究。多传感器远程驾驶小车的远程驾驶模式需要通过网络实现车辆与控制中心之间的通信和数据交互。为了确保通信的可靠性和实时性,需要研究和开发高速、低延迟的通信和网络技术。