i基于图像传感器的自动循迹智能车系统设计

i基于图像传感器的自动循迹智能车系统设计内容摘要：

行路径识别、决策规划以选择最佳的行驶状态，智能车集中运用了自动控制、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科的知识。 随着控制技术、计算机技术和信息技术的发展，智能车在工业生产和日常生活中已扮演了非常重要的角色。 在我国现阶段，很多企业和学校也都意识到了研究智能车的重大意义和有着广阔的研究前景，企业与学校联合研究，共享资源的智能车研究也已有较多的合作项目。 车辆智能化是汽车工业今后的发展趋势，也是人们对安全性、智能化要求越来越高未来汽车的发展方向。 随着计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展，智能车辆技术的研究将会有突破性的进展。 智能车辆系统的实用化是智能车辆发展的前进方向，适应性强、环境适应性好的智能车辆将是研究的重点。 3 论文研究的内容 设计目标是使智能小车能以最快速度完整的跑完整个赛道，这就要求小车具有较强的道路信息采集系统和信息处理、反馈系统，为了使小车能够采集到比较保真的图像，我选用的是 QV7620 图像传感器，然后用 MC9S12XS128MAL 控制芯片收集和处理采集到的图像信号，然后再通过对采集到的信号进行处理和反馈来控制小车的行进。 小车的行进主要是有直流电机和转向舵机两部分组成，分别控制小车的行进速度与转向角度。 对于小车的引导采用的是与白色地面颜色有较大差别的黑色线条作为引导。 经过图像传感器采集道路信息，将信息传递给单片机，单片机对信息进行处理然后反馈到小车的直流电机与转向舵机上，以控制小车的行进速度与转向角度，以达到最佳的行进效果，使小车能够快速、平稳的行驶。 为此，系统必须把路径识别、相应的转向舵机控制以及直流驱动电 机控制准确地结合在一起。 因此，本课题的重点是电路的布置，以及信息的采集、分析以及反馈。 从这里可以看出，本课题可以分为硬件系统和软件系统两大部分。 硬件系统主要就是关于单片机对图像采集系统采集信号的处理然后控制直流电机和转向舵机来控制小车的行进。 软件系统主要是用软件开发工具来进行软件调试 基于图像传感器的自动循迹智能车系统设计 4 第 2 章 智能车系统总体介绍 整体设计概述 本课题所设计的小车要求有自动循迹功能，能在指定的赛道上高速、稳定的运行。 跑道为黑白两色，其背景色为白色，跑道中间有一条 25mm宽度的连续黑色引导线，作为能够识别道路状况、自动决策运行的智能车可以看出一个自动控制系统。 因此，设计的小车要能沿黑线正常行驶，并尽量能够快速、平稳的完成行驶过程。 图 21 智能车总体系统结构框图 设计自动控制器是制作智能车的核心环节。 在严格遵守规则中对于电路限制条件，保证智能车可靠运行前提下，电路设计应尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性，同时应坚持充分发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速 运行。 作为能够自动识别道路运行的智能汽车，车模与控制器可以看成一个自动控制系统。 它可分为传感器、信息处理、控制算法和执行机构四个部分组成。 其中，以单片机为核心，配有传感器、执行机构以及它们的驱动电路构成了控制系统的硬件；信息处理与控制算法由运行在单片机中的控制软件完成。 故而，自动控制器设计可以分为硬件电路设计和控制软件两部分。 智能车将检测到的道路信息和智能车姿态信息传递给控制器，控制器进行数据处理和决策，分别得出电机的控制量和舵机的控制量，对驱动电机的转速和转向舵机转角加以控制，另外，通过速度检测单元， 将电机转速（即智能车的速度）反馈给控制器，实现对智能车速度的闭环控制，以提高控制的精度。 速度检测 舵机 直流电机 模 型 车 控 制 器 信 息 检 测 5 为了实现上述对智能车的控制，智能车必须具备以下主要功能模块： 道路信息检测模块。 实现对路况信息的检测，为控制器的决策提供依据。 控制器模块。 判断路面信息的状况，对转向舵机和驱动电机进行控制。 为智能车提供动力的驱动电机模块和为智能车提供转向功能的舵机模块。 为了对智能车的速度实现闭环控制要有测速模块，提供速度反馈信号。 电源管理模块。 提供不同的电压等级，为整车系统的各个模块供电。 为了调试的方便还要有人机交互模块。 系统硬件模块的分析 小车硬件整体方案设计 本次设计中的核心单片机将采用 MC9S12XS128MAL 型号的单片机。 MC9S12XS128MAL 是一款飞思卡尔 16 位的单片机，其开发方法和工作特点都与常用的 8051 单片机有一定的区别。 如何开发这款单片机，如何为单片机多个模块写入底层的驱动程序和编写优良的上层控制算法是这一模块的核心。 该微控制器是 freescale 公司推出的 S12 系列单片机中具有增强型的 16 位单片机，该系列单片机在汽车电子领域有着广泛的应用。 S12 系列单片机的中央处理器 CPU12 由以下三部分组成 : 算术逻辑单元 ALU、控制单元、寄存器组。 它的寄存器组包括如下 5 个部分 : (l)8 位累加器 A， B 或 16 位的累加器 D。 (2)16 位寻址寄存器 X 和 Y 是用来处理操作数的地址。 可分别用于源地址，目的地址的指针型变量运算。 (3)堆栈指针 SP 是 16 位寄存器。 (4)程序计数器 PC 是 16 位寄存器。 它表示下一条指令或下一个操作数的地址。 (5)条件码寄存器 CCR。 MC9S12XS128MAL是 Freescale 公司推出的 S12 系列单片机中的一款增强型 16 位单片机，片内资源丰富，接口模块包 括 SPI、 SCI、 IIC、 A/D、 PWM 等，单片机采用增强型 16 位 HCS12 CPU，片内总线时钟最高可达 25MHz；片内资源包括 8K RAM、128K Flash、 2K EEPROM； SCI、 SPI、 PWM 串行接口模块；脉宽调制 (PWM)模块可设置成 4 路 8 位或者 2 路 16 位，逻辑时钟选择频率宽。 它包括两个 8 路 10 位精度A/D 转换器，控制器局域网模块 (CAN)，增强型捕捉定时器并支持背景调试模式。 本次设计所提到的智能车自动控制系统就是基于此芯片设计。 赛车硬件电路作为系统实现其一系列控制功 能的基础，其设计的好坏直接关系到最终系统能否正常稳定的运行。 通过分析，得到系统各主要功能模块电路及其与微处理器之间的逻辑关系，系统整体硬件结构设计框图如下图所示： 基于图像传感器的自动循迹智能车系统设计 6 图 22 硬件结构设计框图 通过单片机信号接收口接收摄像头的图像信号和霍尔的脉冲信号 以及调速的电压信号，外加 5V电源为单片机供电，通过 PWM 口调节舵机转角和电机转速。 图 23 电源模块分配框图 舵机 电机 转 5V 测速传感器 驱动电机芯片 单片机 电池 电源管理 驱动芯片 舵 机 电机 MCU CMOS 转速测量 7 系统软件模块的分析 图 24 系统软件结构 从该结构图中 可以看出，系统的软件模块主要有： 1. 单片机系统的初始化，包括单片机系统时钟的初始化、 ATD 模块的初始化、 PWM模块的初始化、增强型时钟模块的初始化，还有一些输入输出口的初始化； 2. 图像信号的采集：通过对图像信号波形的学习，根据图像信号的特点，采集有效图像信号； 3. 图像信号的处理：将采集到的信号存储在单片机中，通过对图像信号的分析和判断来识别路径，判断黑线中间位置，判断道路是直线还是曲线，以及通过计算判断出曲线的斜率，从而进一步的控制舵机的转角和驱动电机的转速。 4. 舵机转角的控制和电机转速的控制：通过控制 PWM 口的信号输出可以实现对舵机转角和轮速的控制 5. 霍尔轮速 传感信号的输入：通过对输入信号的捕捉和计算实现对驱动电机的转速的测算。 单片机的初始化 图像信号的处理 控制驱动电机转速 控制转向舵机转向 图像信号的采集 霍尔轮速传感信号输入 基于图像传感器的自动循迹智能车系统设计 8 第 3 章 智能车硬件系统的设计和调整 道路检测模块方案分析 信息采模块的选择 在功能模块中，道路信息检测模块方案的选定尤为重要，道路信息检测质量的优劣直接影响到控制器能 否作出合理、快速、准确地决策，从而左右整个智能车控制品质的好坏。 在智能车的道路信息检测模块设计中，提出了几种方案，单排红外发光二极管方案、双排红外发光二极管方案、 CCD 摄像头和 CMOS 摄像头方案。 另外，如何有效利用单片机内部资源进行路径参数检测，也是确定检测方案的关键。 下面对这几种方法进行了详细的比较。 通过比较分析，单排红外发光二极管具有以下缺点：由于使用红外发光二极管，其最远探照距离为 20cm,作用距离相当有限，而且受限于 16 个检测传感器，在弯道处可能会出现检测不到黑线的情况，不能做到提前转弯和弯道减 速，以至于使小车冲出跑道。 虽然建立动态隶属度函数，但仍然不能很好的克服各个发射管和接收管参数不同所带来的误差。 双排红外发光二极管具有以下缺点：使用红外光电管还是没能克服探照距离近的障碍，同时整个比赛成绩的优异太过于依赖第一圈的稳定性，如果第一圈记录路径出现了较大的误差，将影响整个比赛成绩。 即使第一圈很稳定，到第二圈速度也达不到理想的速度，速度还是受到了限制，故放弃了该方案。 经过以上比较，最终选定了了摄像头方案，但是摄像头有 CCD 和 CMOS 之分，下面对 CCD 和 CMOS 摄像头的原理、优缺点做出了比较，以选出能达 到最佳效果的道路检测模块 . CCD 和 CMOS 图像传感器的原理 CCD(charge coupled device） 电荷耦合器件 CCD 利用光电效应制作的半导体器件，起步早，技术已相当成熟，在生产生活中得到了广泛的应用。 构成 CCD 的基本单元是 MOS (金属 氧化物 半导体 ) 结构。 CCD 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 工作时 ,需要在金属栅极加一定的偏压 ,形成 以容纳电荷 ,电荷的多少基本与光强成线性关系。 电荷读出时 ,在一定相位关系的移位脉冲作用下 ,从一个位置移动到下一个位置 ,直到 移出 CCD ,经过电荷 电压变换 ,转换为模拟信号。 CMOS(plemetary metal oxide semiconductor)图像传感器 CMOS 是一种高集成度大规模集成电路，仍使用光敏元件为感光器件，光敏元件在排列方式上与 CCD 电荷耦合器件相同，只是在光电转换后信息传送方式不同。 CMOS芯片内部提供了一系列控制寄存器 ,通过总线编程来对自动增益、自动曝光、白色平衡、γ校正等功能进行控制 ,编程简单、控制灵活。 直接输出的电视机制式图像信号可以很方便地和后续处理电路接口 ,供处理器 AD模块对其进行采 集和处理器处理。 9 CCD 和 CMOS 图像传感器优缺点比较： 光电转换 CMOS 和 CCD 使用相同的感光元件，具有相同的灵敏度和光谱特性，但光电转换后的读取信号方式不同。 CMOS 光传感器经光电转换直接产生电压信号，读取十分简单，特别的在监控领域 ， CMOS 传感器的信号输出大部分是 PAL 电视机制式，信息读取十分方便。 而 CCD 存储的电荷信息的转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源配合，较为复杂。 信息的读取速度 CCD 电荷耦合器需要在同步时钟控制下以行为单位一位一位输出信息，速度较慢，而 CMOS 光电传感器在 采集光信号的同时就输出电压信号，速度比 CCD 快。 电源及耗电量 CCD 电荷耦合器大部分需要三组电源供电，耗电量高，一般需要 12V 以上供电电压。 而 CMOS 光电传感器只需要一个电源，耗电量低，一般供电范围是 6— 9V ,功耗相对 CCD 有很大的降低。 成像效果 CCD 技术起步早，技术比较成熟，消噪效果好，成像质量相对 CMOS 光电传感器好。 方案选取 综合以上 CCD 和 CMOS 的优缺点，虽然 CCD 在成像质量上优于 CMOS，但对于只需在白色的背景下识别黑线 ， CMOS 以能胜任，并且着重考虑到功耗，最终选用 了OV7620CMOS 摄像头作为识别路径的传感器。 道路信息采集模块 要能有效地采样摄像头视频信号，首先要处理好的技术问题就是能提取出摄像头信号中的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲。 否则，单片机将无法识别所接收到的视频信号处在哪一场，也无法识别是在该 场中的场消隐区还是视频信号区，更无法识别是在视频信号区的第几行，因此单片机将无法采集到正确的信号 ,处理好行同步脉冲和场同步脉冲提取的问题 ，对视频信号采集十分重要。 当不使用外部芯片是。