基于MC9S128的摄像头导航智能车的设计与实现

甘肃科技纵横2011年（第 40卷）第 3期 随着电子技术的飞速发展，开创了一个与其他学 科广泛交叉渗透的崭新局面，在许多领域取得了令人 瞩目的成就。智能车技术就是电子技术与汽车技术交 叉渗透的产物。智能车辆的研究体现了车辆 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 、人工 智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交 叉和综合，是未来汽车发展的趋势，为需要无人驾驶汽 车的军事、工业、交通、科研等领域，提供了一种可能， 其研究与应用具有巨大的理论和现实意义。 1 系统硬件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 1.1 整体框图 摄像头导航智能车以飞思卡尔 MC9S12XS128 单 片机为核心控制部件，包括图像采集模块、速度采集模 块、控制模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、调试模块 和电源管理模块。整个设计的总体框图见图 1所示： 图 1 设计总体框图 1.2 控制模块 使用飞思卡尔的 MC9S12XS128处理器，该模块是 整个系统的核心控制部件，所有的采集信息都要由它 进行处理，并形成最终的控制信号。 1.3 图像采集模块 基于摄像头的分辨率和功耗的考虑，用 CMOS的 数字 OV6620摄像头对图像进行采集。OV6620实物及 其管脚分布见图 2所示： 图 2 OV6620像头及其管脚分布图 1.4 速度采集模块 要使车能够快速稳定地运行，并且很好的实现加 速和减速，速度控制就是很重要的，所以要选择较好的 速度传感器，以便精确地测得车的速度。通常速度采集 有这些 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ：采用霍尔传感器和磁钢；采用红外对管和 编码盘；采用光电编码器。 采用光电编码器这种方法简单可靠，是小车测速 的很好选择。本设计选用了 200线的光电编码器，型号 为 YZ30D4S- 2NA- 200。 通过脉冲计数的方法来实现对小车速度信号的采 集。在靠近小车右轮的轴上装光电编码器，当车轮转 动，小车前进时，光电编码器跟随车轮同步转动，当一 个黑色脉冲被摄像头检测到时，速度传感器的输出就 变为高电平，产生脉冲，送给单片机的 ECT模块，ECT 模块捕捉脉冲信号并对其进行计数，同样的，当白色被 检测到时，也产生一脉冲，送给单片机计数。在一特定 时间内（20ms，即摄像头采集一帧图像的时间）读出脉 冲总数，将该总数除以车轮转动一圈移过的脉冲数目， 便可以计算出车轮的转动圈数，再乘以车轮周长，得到 行驶路程，再除以计数时间，最后得到小车的速度。 1.5 电机驱动模块 可以使用电路 H- 桥 MC33886，采用两片并联使 用，提高 RS380SH的功率，使得小车加速更快。此方法 两个优点，一是提高电机的输入电流，增大电机的实际 功率，使电机能在不增加动力源的情况下，性能大幅度 提高；二是减小单片 MC33886的功耗，MC33886发热 基于MC9S128的摄像头导航智能车的设计与实现 段振兴 （西北师范大学 物理与电子工程学院，甘肃 兰州 730070） 摘 要：介绍了一种基于摄像头导航的智能车系统设计方法。该系统根据全国大学生飞思卡尔杯智能汽车大赛的设计要求， 使用飞思卡尔 16位单片机MC9S 128为核心控制单元，设计了传感器、电源、电机驱动、车速检测等硬件电路；利用 PID和 模糊控制相结合的方式，使智能车能够自动采集、分析引导线信息，控制舵机转向，实现智能车的自动寻迹。 关键词：飞思卡尔单片机；摄像头导航；黑线提取 信息技术 11 2011年（第 40卷）第 3期甘肃科技纵横 现象比较严重，必须要进行良好的散热处理，用两片 MC33886来为同一个电机供能，可以有效地减小单片 MC33886的功耗，缓解发热。 1.6 舵机驱动模块 舵机驱动可以直接使用 7.2V的镍镉电池供电,但 是为了保险起见，可以使用一个稳压芯片。 1.7 调试模块 调试模块主要用到 BDM，并且为了简化电路，在最 小系统板上没有设计串口的接口，只是把线引了出来， 做了独立的串口调试模块。 1.8 电源管理模块 整个系统的电源由 7.2V，2A/h的可充电镍镉电池 提供。主要用到的有 5V 和 6V，5V 芯片选择的是 LM2940,6V芯片选择的是 LM2941。摄像头和单片机， 采用分别供电的方式供电，见图 3所示。 图 3 电源管理模块 2 系统软件设计 智能车开发环境采用飞思卡尔 HCS12系列单片机 开发软件 CodeWarrior，该软件支持多种语言、开发环境 界面统一、交叉平台开发以及支持插件工具等。在 CodeWarrior界面编译完成后，通过 BDMFOR S12工具， 在 CodeWarrior环境下向MC9S12XS128模块下载程序。 2.1 系统的软件流程图 系统软件部分流程图见图 4所示。软件设计的主 要部分在于数据处理分析，赛道类型分析，控制算法选 择等部分。 图 4 系统软件流程图 2.2 图像采集 摄像头每扫描完一行，就输出一低于视频信号电 压的的电平，相当于每行图像对应的电压信号之后会 有一电压“凹槽”，此凹槽被称为行同步脉冲。扫描完该 场的视频信号，接着会出现一段消隐区，此区中有若干 个复合脉冲（简称消隐脉冲），在这些脉冲中，有一个远 宽于其他的消隐脉冲，该消隐脉冲称为场同步脉冲。场 同步脉冲标志着新的一场的到来，不过，场消隐区恰好 跨在上一场的末尾部分和下一场的开始部分，得等场 消隐区过去，下一场的视频信号才真正到来。摄像头每 秒扫描 25 幅图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶 场，故每秒扫描 50场图像。奇场时只扫描图像中的奇 数行，偶场时则只扫描偶数行。见图 5所示： 图 5 摄像头视频信号 2.3 图像处理 2.3.1 二值化算法 首先要把灰度图像二值化，得到二值化图像，这样 子有利于图像进一步处理时，图像的集合性质只与像 素值为 0或 255的点的位置有关，不再涉及像素的多 级值，使处理变得简单，而且数据的处理和压缩量小。 为了得到理想的二值图像，一般采用封闭、连通的边界 定义不交叠的区域。所有灰度大于或等于阀值的像素 被判定为属于特定物体，其灰度值为 0 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示，否则这些 像素点被排除在物体区域以外，灰度值为 1，表示背景 或者例外的物体区域。因为赛道只有黑白两种颜色，其 很容易分辨，采用二值化算法可以得到很好的效果。可 以通过实验的方法得到一个合适的阈值，当小于这个 阈值时，判断为检测到黑线，反之，判断为检测到白线。 图 6为二值化后的图像。 图 6 二值化后的图像 2.3.2 黑线提取流程 信息技术 12 甘肃科技纵横2011年（第 40卷）第 3期 在黑线提取过程中，前 10行用边缘提取方法，10 行以后利用跟踪边缘提取。实验证明，此方法只要掌握 好细节就能提取出较好的黑线。黑线提取步骤如下： （1）准备提取目标黑线； （2）用检测跳变的方法提取出前 10行中的两个跳 变点，然后求平均值就可以得到前 10行的黑线位置。 当搜索到多个跳变的时候，可以根据上一行跳变的位 置确定出最优的那个跳变的位置作为本行的黑线跳变 位置。当前 10行都没有找到黑线的时候，认为这幅图 像的黑线丢失了，然后依据前一幅图像黑线的位置，给 这幅图像的整体赋极值。当只有 10行中的几行丢失 时，继续搜索黑线直道找完前 10行位置； （3）当 10行黑线存在时，利用前 10行黑线的位置 确定第 11行黑线的位置，然后在这个区间搜索黑线， 依次类推用前一行黑线的位置确定后一行黑线的位 置，当本行黑线没有找到时，此行黑线位置保持上行的 值，下行搜索的位置相应的扩大。有连续 3行搜索不到 黑线时判定为黑线丢失，退出搜索。这样既可以去除干 扰，还可以大大的提高算法的效率； （4）完成搜索后退出搜索。对搜索到的黑线进行限 幅滤波和中值滤波。 通过多次实验发现：只要搜索范围合理，这种算法 有很强的抗干扰能力，并且可以有效滤除三角黑区和 十字交叉的干扰。 2.4 路径识别 路径识别采取三点确定曲率的方法，在一幅图像 的前中后各取一点，然后利用这三点计算出赛道的曲 率。通过实验发现，直道曲率为一个恒定的值 42，蛇形 道的曲率值小于 65，普通弯道小于 75，大 s和发卡弯 都大于 75.通过这种方法能够很好的识别出赛道。 对识别出的赛道可以划分成三类：直道和蛇形道 合并、普通弯、大 s和发卡弯，最终可以对不同的赛道 采用不同的控制策略。 2.5 舵机控制 用 PID控制和模糊控制相结合的方法对舵机实现 控制。首先确定出舵机的中心位置和舵机的左右极限 位置，然后判断路况多舵机实行不同的控制策略。 当判断出赛道为第一类情况时及直道或蛇形道时 舵机给很小的转量，并且只用 p分量控制。当赛道为第 二类时及普通弯道时，增大相应的 p分量，并且增加 d 分量。当赛道为第三类的时候两个 p和 d分量都调节 到最大。这些分量的值可以通过多次实验得出。 2.6 电机控制 将偏差构建成二次函数来调节速度，这样做的好 处是，偏差越小说明前面的路平坦，车速很快，而且变 化很小。当偏差较大时，车速变化就很快。并且我们在 速度控制中加了反馈控制。当速度超过 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 速度时就 依据速度情况减速。这种控制方案的最大优势是，出弯 加速快，入弯减速也快，同时对每种弯道速度有了具体 的控制。 3 结束语 本论述以全国大学生飞思卡尔智能车比赛为背 景，根据比赛要求自主设计了信号采集与处理模块、赛 道信号源、起跑线识别等硬件电路，采用 PID控制算法 与模糊控制相结合的方法，控制智能车可以快速地自 动循迹，通过比赛测试各方面性能指标都满足比赛要 求。经实验测试，智能车可以在各种曲率的跑道上自动 寻迹行驶，行驶过程稳定、可靠。 整个设计成本较低，功能比较完善，在后续工作中 可以改进传感器电路，加大探测范围，在改进算法的基 础上进一步提高智能车的性能。 参考文献： ［1］ 飞思卡尔竞赛委员会.赛事介绍［EB/OL］2009.11.http://www. bds- tech.com/feisi_introduction.php. ［2］ 付梦印,邓志红,刘彤，等.智能车辆导航技术［M］.北京:科学 出版社,2009. ［3］ 卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车［M］.北京：北京航空航天 大学出版社，2007，3- 1. ［4］ 刘进，齐晓辉，李永科.基于摄像头的智能小车设计与实现 ［J］.传感器世界，2008，2. ［5］ 孙同景，陈桂友.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入 式开发技术.2008，7- 1. ［6］ 曾星星. 基于摄像头的路径识别智能车控制系统设计［J］. 湖北汽车工业学院学报,22- 2. ［7］ 卓晴，王琎，王磊.基于面阵CCD 的赛道参数检测方法［J］. 电子产品世界，2006，7. ［8］ 贾秀江，李颢.摄像头黑线识别算法和赛车行驶控制策略 ［J］.电子产品世界，2007，5. 信息技术 13