spdis
95a46c130d
- 搬运 ST API C 源码到 lib/vl53l0x/, 替换 I2C 层为用户态 i2c-dev - 新增 vl53l0x_platform_user.cpp: WriteMulti/ReadMulti 等全平台接口 - 重写 vl53l0x.cpp: start时unbind内核驱动, 单次测距, 无后台轮询 - 高速模式 20000μs timing budget, 模型缓存零污染(41-43ms) - LiDAR 每5帧一读(~20ms), 隔帧模型推理, fps 25.1→29.6 (+18%) - 同事的LiDAR避障集成: 12个配置参数, 中线变形绕行, 刹车注释 - nice -10 + sched_yield 优先级优化
412 lines
19 KiB
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# SmartCar 决策总架构：从视频帧到执行器
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## 坐标系统一览
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Camera 输出 640×480 MJPEG
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CONVERT_RGB=0 + IMREAD_REDUCED_COLOR_4
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→ 1/4 MJPEG 解码 → raw_frame = 160×120
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│
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┌───────────┤
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▼ ▼ (raw_frame.cols/rows 决定分母)
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巡线空间 显示空间 模型空间
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(line_tracking (newWidth × newHeight) 160×120 (正常)
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_width × calc_scale = 2 640×480 (回退模式)
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line_tracking newWidth = lt_w × 2
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_height) newHeight = lt_h × 2
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典型值 80×60
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**关键换算关系（正常模式 raw_frame = 160×120）：**
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- 模型空间 → 巡线空间：`col_lt = cx * line_tracking_width / 160`，`row_lt = cy * line_tracking_height / 120`
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- 巡线空间 → 显示空间：`pixel = value * calc_scale`（calc_scale = 2）
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- `line_tracking_width / height` = `newWidth / calc_scale`, `newHeight / calc_scale`
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- newWidth / newHeight 由 `CameraInit` 读取 `/dev/fb0` 屏幕分辨率后动态计算
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**⚠ 回退模式：** 当 CONVERT_RGB=0 未生效时，raw_frame = 640×480，模型框坐标也在 640×480 空间。
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此时 LCD 渲染的硬编码缩放 `newWidth/160.0f` 会出错，但正常运行时不会进入此模式。
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## 主循环 (`main.cpp`)
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main()
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├── cfg_load_all() # 从工作目录文件读取全部配置
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├── 补读 cone_avoid_gain/range/hold_frames
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├── CameraInit(0) # 打开摄像头, LCD, 模型, I2C, 计算巡线尺寸
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├── ControlInit() # 初始化双电机 GPIO + PWM + 启动编码器线程
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│
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└── while(running):
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├── CameraHandler() # ★ 逐帧执行
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└── target_speed = g_cfg.speed # (debug 模式下每 7 帧重载)
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`CameraInit` 现在只接受 `camera_id` 一个参数（之前有 dest_fps, width, height 三个遗留参数已移除）。
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巡线分辨率由屏幕自适应算法决定：`line_tracking_w = newWidth/2`, `line_tracking_h = newHeight/2`。
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## CameraHandler 11 步流水线
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Step 1 capture_frame() 640×480 MJPEG → IMREAD_REDUCED_COLOR_4
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取帧+解码 → raw_frame = 160×120 BGR
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(回退: raw_mat 三通道 → 直用 640×480)
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Step 2 save_image_if_requested() debug=1 && saveImg 文件=1 → 存 ./image/XXXXX.jpg
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保存图像 (条件)
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Step 3 image_main() raw_frame → resize(lt_w×lt_h) → HSV 双通道Otsu
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视觉巡线 → floodFill(种子 (lt_w/2, lt_h-10), 半径5)
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→ 逐行最长连续段搜索 → 丢线补全(row 10~59)
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输出: left_line[], right_line[], mid_line[]
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Step 4 run_model_inference() 每 2 帧推理一次
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模型推理 raw_frame (160×120) → model_v10_detect()
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4 类: 0=锥桶 1=红灯 2=绿灯 3=斑马线
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g_thresh = {0.90, 0.75, 0.80, 0.90}
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→ g_boxes[16], g_box_count
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Step 5a zebra_process() 去抖计数 + ZNORMAL→ZSTOP(4s)→ZCOOLDOWN(5s)
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斑马线状态机 触发: 连续5帧 + 起源于远(cy≤50) + 当前近(cy>zebrasee)
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刹停时 I2C 语音播报
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Step 5b traffic_light_process() TLNORMAL→TLSTOP→TLWAIT_GREEN
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红绿灯状态机 红灯≥3帧 → 停车; 红灯消失 → 等绿灯; 绿灯≥3帧 → 通行
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Step 5c cone_detect_and_deform() 去抖确认 + 中线变形 + 消失后保持衰减
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锥桶检测 & 中线变形 cone_speed 减速 + cone_hold_frames 保持
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Step 6 steering_update() foresee/2 → check_row → mid_line[row]×2 - newWidth/2
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舵机控制 deadband 过滤 → servo duty: 1500000 ± offset ns
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Step 7 motor_update() 开环PWM + 编码器比例刹车 + 弯道减速 + 锥桶减速
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电机控制
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Step 8 lcd_render() track→BGR→ROI + 边界线(红/绿/蓝) + 检测框 + 状态指示
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LCD 渲染 RGB565 → /dev/fb0 mmap
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Step 9 fps_log() 每 15 帧输出总帧率 + 分步耗时 ms
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FPS 统计
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## 视觉巡线深度展开 (`image_main`)
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raw_frame (160×120 或 640×480 BGR)
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│
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├── cv::resize → (line_tracking_w × line_tracking_h) 典型 80×60
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├── image_binerize():
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│ BGR→HSV → H通道Otsu(THRESH_BINARY_INV) → S通道Otsu → bitwise_or
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│ 赛道=255(白), 背景=0(黑)
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│ 原理：蓝底赛道H偏聚集(100~130)、S高；灰路面S低
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│ bitwise_or 取并集，H或S任一判为赛道即保留
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│
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├── find_road():
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│ MORPH_OPEN(2×2 CROSS) → 种子点(lt_w/2, lt_h-10)
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│ → 种子点处画实心圆(半径5, 255) 防种子落在黑色区域
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│ → floodFill(loDiff=20, upDiff=20, 8邻域, newVal=128)
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│ → mask 提取 ROI → track (赛道内部=128, 外部=0)
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│
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├── 逐行最长连续段搜索:
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│ uchar(*IMG)[lt_w] = track.data
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│ 每行扫描，找最长连续非零段
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│ 有多个白段时取最后一个(≥取等，偏右)
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│ → left_line[row], right_line[row]
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│ → 全零行: left=right=-1
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│
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└── 中线 + 丢线补全 (row = lt_h-2 → 10):
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有边界: mid = (left+right)/2, int 整除
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丢线: mid[row] = mid[row+1] (继承下行)
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若 mid > lt_w/2 → left=mid, right=lt_w-1 (偏右)
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若 mid ≤ lt_w/2 → left=0, right=mid (偏左)
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底行兜底: 丢线时用 lt_w/2
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```
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**边界线区间有效性：** row 10~59 有数据；row 0~9 的 mid_line 保持初始值 -1（不可靠）。
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## 舵机控制数学
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foresee = g_cfg.foresee ← 前瞻行索引（显示空间像素），默认 40
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check_row = (int)foresee / calc_scale ← 转为巡线空间行号（calc_scale=2, int 整除）
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mid_val = mid_line[check_row] ← 该行中线列坐标 (0~79)
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如果 mid_val == -1 → 跳过（丢线行无效）
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否则：
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deviation = mid_val × 2 - newWidth / 2 ← 转为显示空间偏差(px)
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deviation -= g_cfg.center_bias ← 中心偏置修正
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g_steer_deviation = deviation / (newWidth/2) ← 归一化到 [-1, 1]
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if |deviation| < deadband:
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servo = 1500000 ns (直行)
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else:
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norm = deviation / (newWidth/2)
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offset = norm × steer_gain × 300000
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duty = clamp(1500000 + offset, 1200000, 1800000)
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servo.setDutyCycle(duty)
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```
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**舵机量程：** 1,200,000 ~ 1,800,000 ns，中位 1,500,000 ns，±300,000 ns 对应满偏。
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**deadband 单位：** 显示空间像素（deviation 的单位）。
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## 电机控制数学 (`ControlUpdate`)
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ControlUpdate(speed, zebra_or_tl_block):
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if !g_cfg.start:
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motor[0].updateduty(0) → 两电机停转
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motor[1].updateduty(0)
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mortorEN.setValue(0) → GPIO73 拉低
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return
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if zebra_or_tl_block: ← 斑马线或红灯刹停
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读取 g_enc_speed (编码器线程, 脉冲/秒)
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读取 g_enc_dir (编码器方向)
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if cur_speed > 0.5:
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brake_ns = cur_speed × g_cfg.brake_scale ← 比例刹车
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brake_ns = clamp(brake_ns, 0, g_cfg.brake_max)
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brake_pct = brake_ns / 500 ← ns → % (period=50000ns)
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dir = cur_dir ? 1 : 0
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motor[i]->updateduty(dir ? -brake_pct : brake_pct) ← 反转刹车
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else:
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motor[i]->updateduty(0) ← 已静止，不刹车
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return
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curve = 1.0 - |g_steer_deviation| × 0.4 ← 弯道减速
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curve = max(curve, 0.6) ← 最低 ≥ 60%
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spd = speed × curve
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motor[0].updateduty(spd) → 左电机 (pwmchip8/pwm2, gpio12 方向)
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motor[1].updateduty(spd) → 右电机 (pwmchip8/pwm1, gpio13 方向)
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mortorEN.setValue(1) → GPIO73 拉高使能
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**编码器刹车（encoder brake）：** 当斑马线或红灯触发停车时，根据实时编码器速度计算反向刹车占空比，
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刹车力度与当前车速成正比（`brake_scale`），有上限（`brake_max` ns）。
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速度低于 0.5 pps 时不再施加刹车。
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**motor_update 额外逻辑：** `motor_update()` 在调用 `ControlUpdate` 之前，若锥桶已触发（`cone_is_slow()`），
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会将 speed 乘以 `g_cfg.cone_speed`（默认 0.5），实现锥桶路段减速。
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**motor[0] vs motor[1]：** 左/右区别仅在于 gpioNum（12 vs 13）和 pwm通道（2 vs 1），函数调用完全相同。
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**updateduty(duty) 内部：**
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- `pwm_period * |duty| / 100` → 转占空比 ns 写入 sysfs
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- duty > 0 → GPIO 方向 = 1（正转），duty ≤ 0 → GPIO 方向 = 0（反转）
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**速度控制是开环的：** `MotorController` 仅包含 `updateduty()` 方法，正常行驶无编码器反馈。
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`PIDController` 类存在但从未被实例化或调用。
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**编码器线程** (`ControlInit` → `encoder_thread`)：独立线程高频轮询 GPIO67（LSB脉冲）+ GPIO72（方向），
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每 100ms 计算一次速度 → `g_enc_speed`（脉冲/秒），含 500µs sleep 防止 CPU 饿死。
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## 斑马线状态机
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检测到 cls=3 → 取第一个斑马线框（之后 break）→ 去抖计数+追踪最远cy
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ZNORMAL 期间:
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zebra_seen: g_zc_frames++, g_zc_min_cy = min(g_zc_min_cy, zebra_cy)
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未 seen: g_zc_frames = max(0, g_zc_frames - 2)
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g_zc_frames==0 → g_zc_min_cy=120 (重置)
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触发条件 (仅 ZNORMAL):
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zebra_near (cy > g_cfg.zebrasee)
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&& g_zc_frames >= ZEBRA_MIN_FRAMES (5)
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&& g_zc_min_cy <= ZEBRA_FAR_CY (50)
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→ play_zebra_audio() → ZSTOP
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┌──────┐ 条件: 连续5帧 + 起源于远(cy_min≤50) + 当前近(cy>zebrasee)
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│NORMAL│ ─────────────────────────────────────► ┌──────┐
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│ │ ◄───────────────────────────────────── │ STOP │
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└──────┘ 冷却5秒结束 │ │
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▲ └──┬───┘
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│ 4秒后 │
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│ ┌──────────┐ ◄─────────────────────┘
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└──────────│ COOLDOWN │
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└──────────┘
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NORMAL: 允许通行，检测斑马线
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STOP: 刹停 4 秒，g_zstate==Z_STOP 传给 motor_update → 编码器刹车
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COOLDOWN: 恢复行驶但斑马线状态机停止检测 5 秒（防止重复触发）
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仅跳过检测，不影响其他功能（舵机/巡线正常）
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```
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**关键变量：**
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- `g_zc_min_cy`：NORMAL 期间追踪斑马线出现时的最小 cy（越远值越小）。未检测到斑马线时衰减减2/帧，归零后重置为 120。
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- `ZEBRA_FAR_CY = 50`：斑马线的 cy 必须曾在 ≤50 处出现过（即"从远处来"）
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- `zebrasee`（默认 60）：当前斑马线 cy > 此值视为"足够近"，触发停车
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- 去抖衰减速度：未检测到时每次 `-2`（比锥桶设计的 `-1` 更快下降）
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- Box 遍历在找到第一个 cls=3 后 `break`，忽略同帧其他斑马线框
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## 红绿灯状态机
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检测到 cls=1 (红灯) / cls=2 (绿灯) → 去抖计数 → 状态转移
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┌──────┐ 红灯≥3帧 ┌──────┐ 红灯消失 ┌───────────┐
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│NORMAL│ ───────────► │ STOP │ ──────────► │WAIT_GREEN │
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│ │ ◄─────────── │ │ │ │
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└──────┘ 绿灯≥3帧 └──────┘ └─────┬─────┘
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▲ │
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└───────────────────────────────────────────┘
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TL_NORMAL: 允许通行，检测红绿灯
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TL_STOP: 红灯→停车（编码器刹车），等红灯消失
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TL_WAIT_GREEN: 红灯已消失，等待绿灯出现（≥3帧）→ 恢复通行
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```
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**返回值：** `traffic_light_process()` 返回 `true` 当 `g_tl_state != TL_NORMAL`，
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传递给 `motor_update` → `ControlUpdate` 触发编码器刹车。
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## 锥桶检测 & 中线变形
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```
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cone_detect_and_deform():
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(仅在 Z_NORMAL && TL_NORMAL 时运行)
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┌─ 寻找最近锥桶 ─┐
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│ 遍历 g_boxes, cls=0, conf >= cone_thresh
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│ 模型空间坐标 → 巡线空间坐标
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│ 过滤: rl < 10 或 无边界线的行 → 跳过
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│ cone_margin==0 → 中心点; ==1 → 框边缘 (左右均在边界线内)
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│ 取 cy 最大(最近)的锥桶
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│
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├─ 去抖确认 ──────────────────────────────
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│ 位置容忍: row_tol = max(2, lt_h/12), col_tol = max(3, lt_w/8)
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│ 连续出现且位置接近 → g_cone_frames++
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│ 丢失 → g_cone_frames = max(0, g_cone_frames - 1)
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│ g_cone_confirmed = (g_cone_frames >= cone_min_frames)
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│
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├─ 保持/衰减 ────────────────────────────
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│ 确认时: g_cone_hold_ctr=0, 记录锥桶位置
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│ 未确认但有历史: g_cone_hold_ctr++, 衰减推离量
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│ 超过 cone_hold_frames → 停止影响
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│
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└─ 中线变形 ─────────────────────────────
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dir = (锥桶偏左) ? +1.0 : -1.0 ← 向远离锥桶方向推
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decay = (确认) 1.0 : (1 - hold_ctr/hold_frames)
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for row = 10 → src_row:
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t = clamp((row-10) / cone_avoid_range, 0, 1) ← 斜坡上升
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push = t × cone_avoid_gain × half_w × dir × decay
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mid_line[row] = clamp(mid_line[row] + push,
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||
left_line[row]+2, right_line[row]-2)
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```
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**速度联动：** `cone_is_slow()` 在锥桶确认或保持期间返回 true，
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`motor_update` 将当前速度乘以 `cone_speed`（默认 0.5）。
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## LCD 渲染
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```
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lcd_render():
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g_lcd_on 每 10 帧从 g_cfg.showImg 刷新
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track (128/0 灰度) → resize(newWidth×newHeight) → GRAY→BGR
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→ 居中拷贝到 lcd_fbImage (screenHeight × screenWidth) 的 ROI 区域
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边界线绘制: 红=左边界, 绿=右边界, 蓝=中线
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(跳过 mid_line[row]==-1 的行)
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检测框绘制: 遍历 g_boxes, bx=newWidth/raw_frame.cols
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跳过 cls=1(红灯) 和 cls=2(绿灯) 的框
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cls=0 锥桶 → 橙色框, cls=3 斑马线 → 紫色框
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标注框类别+置信度
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状态指示 (左下角): N=正常, S=斑马线停车, C=斑马线冷却,
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R=红灯停车, G=等绿灯
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→ convertMatToRGB565 → /dev/fb0 mmap
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```
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## 配置系统
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所有配置通过工作目录下的纯文本文件读写。文件不存在时 `readDoubleFromFile` 返回 0：
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| 文件 | 类型 | 代码默认 | ctl.sh 写入 | 含义 |
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|---|---|---|---|---|
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| `./speed` | double | 60 | 11 | 目标速度 (% 占空比) |
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| `./start` | int(0/1) | 0 | 0 | 使能开关，1=电机运行 |
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| `./debug` | int(0/1) | 0 | (不写入) | 每7帧重载配置+允许存图 |
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| `./showImg` | int(0/1) | 0 | (不写入) | LCD 显示（每10帧轮询→g_lcd_on） |
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| `./foresee` | double | 80 | 40 | 舵机前瞻行 (显示空间像素) |
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||
| `./deadband` | double | 5 | 8 | 舵机死区 (显示空间像素) |
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||
| `./steer_gain` | double | 1.0 | 1.5 | 舵机增益 |
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||
| `./center_bias` | double | 0 | (不写入) | 中线偏置修正 |
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| `./kp`,`./ki`,`./kd` | double | - | 3.5/0.3/2.0 | PID 参数 (当前未使用) |
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||
| `./mortor_kp/ki/kd` | double | - | 0.6/0.2/0 | 电机编码器 PID (当前未使用) |
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| `./zebrasee` | double | 60 | (不写入) | 斑马线近界阈值 (模型空间cy) |
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||
| `./destfps` | double | 30* | (不写入) | 目标帧率 (*代码兜底值) |
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||
| `./saveImg` | int(0/1) | - | (不写入) | 保存帧图像 (需 debug=1) |
|
||
| `./cone_avoid_gain` | double | 0.3 | 0.3 | 锥桶中线变形推离量 (归一化) |
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||
| `./cone_avoid_range` | int | 30 | 30 | 变形斜坡陡峭度 |
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||
| `./cone_speed` | double | 0.5 | 0.5 | 锥桶触发时速度倍率 |
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||
| `./cone_min_frames` | int | 3 | 3 | 锥桶连续确认帧数 |
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||
| `./cone_margin` | int | 0 | 0 | 0=中心点, 1=框边缘检查 |
|
||
| `./cone_thresh` | double | 0.80 | 0.80 | 锥桶置信度阈值 |
|
||
| `./cone_hold_frames` | int | 30 | 30 | 锥桶消失后保持变形帧数 |
|
||
| `./brake_scale` | double | 10 | 10 | 刹车速度→占空比系数 |
|
||
| `./brake_max` | int | 10000 | 10000 | 最大刹车占空比 (ns) |
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||
|
||
**debug 模式：** `./debug` = 1 时，主循环每7帧调用一次 `cfg_load_all()` 重读全部配置，支持热更新调参。同时允许 `saveImg` 保存图像。
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|
||
**注意：** `global.h` 中的 `CfgCache` 默认值和 `ctl.sh` 写入的值不一致（如 speed: 60 vs 11）。`ctl.sh` 写入的值覆盖代码默认值，是实际运行参数。
|
||
|
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## 代码中未使用的模块
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以下 `.cpp` 文件存在于 `src/` 中但已被 `CMakeLists.txt` 的 `list(FILTER ... EXCLUDE)` 排除编译：
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| 文件 | 功能 | 排除原因 |
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| `vl53l0x.cpp` | 激光测距模块 | 硬件未连接 |
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| `zebra_detect.cpp` | 经典斑马线检测 | 已被 Mild 模型替代 |
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| `PIDController.cpp` | 位置式/增量式 PID | 电机开环直驱，无调用点 |
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| `serial.cpp` | VOFA 串口可视化 | 未使用 |
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**注意：** `PIDController.h` 仍在 `lib/` 中，`MotorController` 仅提供 `updateduty()`（开环占空比），
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不提供 `updateSpeed()` 方法。
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## 模型：Mild v12
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- **推理引擎**：`src/model_v10.{hpp,cpp}`（名称为兼容保留，内部为 Mild v3）
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- **输入**：160×120 BGR
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- **输出**：4 类 + 背景 → 9 通道：0=锥桶, 1=红灯, 2=绿灯, 3=斑马线
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- **架构**：3→9→9→13→13→19→19→19→44→44→64→64 → head(64→64,dw) → out(64→9)
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- **阈值**：`{0.90, 0.75, 0.80, 0.90}`（锥桶/红灯/绿灯/斑马线）
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- **权重文件**：`mild_v12.bin`（105KB 自定义二进制格式）
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- **推理频率**：每 2 帧一次（跳帧节省 CPU）
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## 已知局限
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1. **电机开环** — 正常行驶无编码器反馈，仅制动时使用编码器速度做比例刹车。PID 类已实现但无调用点。
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2. **舵机死区** — 用 `abs(deviation) < deadband` 比较像素值，deadband 单位是显示空间像素。
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3. **中线 row 范围** — 丢线补全仅覆盖 row 10~59，row 0~9 的 mid_line 保持 -1 不可靠。
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4. **LCD 坐标缩放硬编码** — 检测框绘制用 `newWidth/160.0f`，假设 raw_frame 宽=160。回退模式（raw_frame=640）下会出错。
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5. **锥桶变形可能跳过 row 0~9** — 变形循环从 row=10 开始，row 0~9 不会改变。
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