基于CCD攝像頭智能車分段PID控制算法設計
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3 圖像識別
用CCD攝像頭采集車模前方一定距離內的黑線，從中提取相關量，用來控制舵機的轉向，實現智能車的自動循跡。由于單片機數據處理能力和速度有限，不能在短短的20 ms時間內處理整場圖像。本系統設置攝像頭前瞻為1．2 m。在不影響道路檢測精度需要的前提下，本系統采用隔行采集來壓縮圖像數據，即相隔不同的有效行采集一行數據(近處相隔的少，遠處相隔的多)，一共可采集44行數據。此外為了進一步提高A／D轉換的速度，本系統還適當地將XS12的CPU超頻運行并且設置A／D轉換器的精度為8位，這樣每行能采樣到67個點，形成了一個面陣，而黑線在其中占據了某些點位。由于我們一行采集67個點，故中間值為33。圖像是智能車的底層，圖像的采集正確與否在以后的控制中尤為重要，故一定要確保采集回來的黑線的真實有效性，并且要增加濾波算法，比如在有效前瞻很小的時候，本來只要判斷出黑線的轉向即可，給舵機以極限轉角可以讓車急轉彎。但是有效行很少的時候，如果不用特殊的濾波方法，只要有一行的黑線提錯，就可能讓小車轉錯，至于轉出界。
4 分段PID控制
4．1 圖像信息提取量
從采集回來的圖像中提取控制量來控制舵機的轉向，實現智能車的自動循跡。本系統采用黑線偏移量even_diff和黑線某段斜率D_diff-erent對舵機進行控制，可稱為PD控制器。由于車模是個隨動系統，在攝像頭1．2 m前瞻內覆蓋的黑線不一定有設置的44行，特別是前方的彎特別急的時候，在攝像頭前瞻視角范圍內覆蓋的黑線會特別少，比如13行或13行以下。根據這個特點，可設置一個有效前瞻量valid_line作為對前方的彎的平緩程度的反應。
把每一行的黑線位置值與中間值作差，得到該行的偏移量，中間值33位賽道的中心位置點，偏移量表示在車模的視角下黑線處于賽道中的位置值。把每一行的偏移量相加之和除以攝像頭前瞻范圍內的提取出的黑線行數，得到黑線相對于車模中心的整體偏移量even_diff，用有效行內的遠處某些行與近處某些行(如前半場與后半場)偏移量之差得到有效行內的黑線斜率D_differen。
這樣，從一場的黑線位置數據中，系統提取了有效行valid_line、even_diff、D_different 3個量來對舵機進行控制。在實際情況中，D_different可以很靈活，因為前方黑線的斜率可以取不同段得到，可以根據實際要求得到不同段的斜率值，如速度快時可以適當的取距車較遠處的黑線斜率，以實現超前控制。
在智能車調試參數的時候，對這3個量的理解很是重要，具體來說，valid_line表征車模的有效前瞻，即看得有多遠，對于智能車在道路上行駛，看得遠說明黑線都在前方，看不遠說明智能車前方的黑線已經偏左或者偏右，而這個量的大小正好可以表征彎的平緩與急切。另外，看得遠則攝像頭采集的黑線多，系統信息量大，那么怎么處理這些大量的信息為我們所用就變得很關鍵，如看得1．2 m都能看見，說明小車必然在長直道上，不然也是小S彎，稍作處理就可以過濾掉小S彎了，讓小車像都是在直道上跑；看得很近說明彎已經很急，這時候，只要能夠判斷出彎往那邊拐就可以給舵機一個極值急拐。even_diff表征在某一個特定視野下，小車與黑線偏離的程度，這個量可以讓智能車在某個特定視野下決定給舵機多大的轉角。D_different則在有效前瞻遠的時候尤為關鍵，因為它可以預判前方的彎，從而超前的轉彎。
4．2 PD控制器形式
系統把這3個量處理成PD控制器的形式：
其中a為根據賽道有效前瞻確定的不同有效行。Centre為舵機走直線的控制中間值。Steer為PD控制器給舵機的輸入量。由于車模舵機轉向控制是一個非線性系統，而設置了入口條件“有效行判斷”，正好可以把這個非線性系統分割成不同段，在每一段可近似認為轉向控制系統是線性的。即在某一小段范圍內，得到的黑線位置和對應的舵機PID參照角度處理成一次線性關系。最終實現簡單分段PID控制。
5 分段PID控制參數規律
在實際的調車過程中，我們總結發現，PD控制器的參數Kp、Kd與有效前瞻valid_line、車模的速度相關。簡單點說，即小車速度越快，車模遇彎提前拐彎的應越早。總結下來，有如下關系：
其中A為Kp的基礎值，valid_line為車模運行到某個狀態的有效前瞻(用提取的黑線數量來估定)，speed為小車一場時間內的脈沖值，表征車模時刻運行的速度。低速時，可近似認為speed／C為零，通過試驗法可以確定A值大小。在確定Kp基礎值之后，即可加速，在小車速度稍高的時候調試得出合適的B值、C值，最終使小車平穩準確的切線，循跡而行。此關系式可知，有效前瞻的變化是對Kp值影響最大也是最直接的一個量，我們平時調車經驗而知，B參數應比C敏感很多才行。有效行減少一行，對舵機轉向角的影響要遠大于小車速度speed對Kp的對影響。而speed對舵機急轉快速性在車模高速的時候很是明顯。
為增加系統的魯棒性，并且更好的解決系統的非線性問題，我們將小車的前瞻分段，我們1．2 m的前瞻里面，總共有44行黑線，直道上全部提取回來，可以分為有效行37行一下、有效行30行以上、有效行24行以上、有效行18行以上、有效行13行以上與有效行13行以下7段。
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