智能型動(dòng)態(tài)圖像追蹤自控車(chē)

　　去年十月份Toyota Lexus 的2007 年最新車(chē)款Lexus LS 460 和Lexus LS 460L 在美國市場(chǎng)上市，兩部車(chē)子都裝置了Toyota 最新發(fā)展的”高級停車(chē)導引系統(Advanced Parking Guidance System)”，這個(gè)系統是使用一個(gè)向后的攝像頭和停車(chē)聲納傳感器偵測周邊狀況，駕駛人靠在一個(gè)停車(chē)位旁邊，按個(gè)按鈕，踩煞車(chē)以控制速度，系統便會(huì )自動(dòng)接手控制電動(dòng)動(dòng)力方向盤(pán)，完成路邊停車(chē)的動(dòng)作。除此之外，在目前最常應用于工廠(chǎng)自動(dòng)化系統之中的自動(dòng)導引車(chē)輛(Automatic Guided Vehicle, AGV)系統，可按照程序所下的命令及導引路線(xiàn)進(jìn)行、停止、轉彎，并能和搬運系統作連結；AGV是一種物料搬運設備，能在固定位置自動(dòng)進(jìn)行貨物的裝載，并自動(dòng)行走到另一位置，以完成貨物的卸載的全自動(dòng)運輸設備。AGV基本功能為能自動(dòng)依循固定的軌道行走，雖然說(shuō)這個(gè)技術(shù)早己引用在工廠(chǎng)中，但是由于路線(xiàn)必須是規劃好并在地上畫(huà)上行走路徑，并無(wú)法應用于較復雜的環(huán)境之中，而我們所提出來(lái)的設計，是利用圖像來(lái)辨別標志，而標志擺放位置也可以根據實(shí)際的應用環(huán)境來(lái)做改變，所以應用范圍較傳統AGV更為廣泛。

　　不僅如此，本設計也具有特定標志搜尋功能，能夠自動(dòng)的分析現有的圖像信息，自動(dòng)鎖定目標物并進(jìn)行自動(dòng)化車(chē)控的控制，故我們設計這套系統來(lái)協(xié)助民眾自動(dòng)停車(chē)、自動(dòng)倒車(chē)入庫，也可應用于機場(chǎng)對飛機的管控或是任何具有動(dòng)力的交通運輸工具。本文將機械視覺(jué)算法以硬件加速的模塊實(shí)現，結合多核的高效能的嵌入式處理器Nios，完成一個(gè)自動(dòng)化汽車(chē)導引的平臺，未來(lái)可實(shí)現很多汽車(chē)駕駛安全方面的應用，包括防撞、車(chē)道偏離警報和車(chē)道維持(可導引駕駛人回到原車(chē)道)、背面障礙物警報、行人監測、車(chē)距監測(讓駕駛人和前車(chē)保持適當的距離)、夜視、自動(dòng)頭燈調節、交通/限速標志識別和盲點(diǎn)監測等等。

設計介紹

　　我們使用“軟硬件共同設計 (Co-design)方法”集成圖像輸入端、車(chē)控平臺及動(dòng)力控制模塊，完成自動(dòng)化目標追蹤的實(shí)驗平臺，通過(guò)效能佳的軟核CPU來(lái)控制外圍的模塊，并利用VHDL自制圖像處理核心電路，建立智能型圖像追蹤的嵌入式系統平臺，如圖1所示。

圖1 智能型圖像追蹤的嵌入式系統平臺
　　系統核心組成器件可分成以下三類(lèi)：

　　1. CMOS 傳感器硬件模塊：CMOS 傳感控制器 、數據簡(jiǎn)化、SDRAM 控制器

　　(1)  CMOS 傳感器控制器：驅動(dòng)CMOS 傳感器并進(jìn)行連續圖像擷取，將動(dòng)態(tài)圖像數據流傳入。
　　(2)  數據簡(jiǎn)化：將CMOS 傳感器擷取的圖像數據(GB&GR)進(jìn)行壓縮，以便大幅減少計算量及分析時(shí)間。
　　(3)  SDRAM 控制器：通過(guò)六組FIFO控制器，將SDRAM資源規劃給兩組CMOS傳感器控制器及VGA控制器來(lái)使用(三寫(xiě)三讀)。
　　2. VGA硬件模塊：

　　(1) VGA 控制器：通過(guò)其器件，可以實(shí)時(shí)將圖像直接顯示在VGA上。
　　(2) XY  Histogram：并通過(guò)XY坐標標示出目標位置，并在實(shí)時(shí)圖像上進(jìn)行X軸及Y軸的圖像數據統計(Histogram)。
　　3. 動(dòng)力控制：

　　通過(guò)第二顆軟核CPU來(lái)依序執行外部給入的命令，CPU通過(guò)四組PIO來(lái)驅動(dòng)車(chē)體前后輪的控制電路，達到車(chē)體前進(jìn)、后退、左轉、右轉的控制。

　　.　主要硬件器件

　　以SOPC Builder完成雙CPU核心的設定，并利用Verilog設計硬件電路器件，以waveform進(jìn)行時(shí)序仿真并驗證，再通過(guò)PIO方式和CPU連結，除了SOPC Builder所提供的外圍電路以外尚有雙CMOS 傳感器圖像擷取電路、六端口SDRAM控制器、VGA控制器(含圖像處理電路)，說(shuō)明如下，如圖3所示，自行開(kāi)發(fā)的硬件電路已集成為一個(gè)較大的模塊(在圖2左方的方塊)，而圖3右方的方塊則是利用SOPC Builder所建立的雙CPU模塊。

圖2  硬件器件
　　1. 雙核處理器：

　　在圖3中的cpu_0是用來(lái)控制CMOS 傳感器及圖像處理所用，而cpu_1是用來(lái)控制車(chē)控動(dòng)力的。

圖3  雙CPU系統