【毕业学位论文】（Word原稿）智能汽车基于面阵CCD图像传感器的路径识别方案技术报告

I 智能汽车 技 术 报 告 目录 第一章 引 言 . 1 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 1 概述 . 1 1 2 智能小车 的设计思路 . 1 1 3 相关文献综述 . 2 1 4 内容框架安排 . 2 第 2 章 路径识别方案及图像处理技术 . 5 径识别方案设计论证 . 5 案一：基于光电传感器阵列的路径识别方案 . 5 案二：基于线阵 像传感器的路径识别方案 . 5 案三：基于面阵 像传感器的路径识别方案 . 5 选方案 . 6 阵 像传感器简介 . 6 阵 像传感器的工作原理 . 6 阵 像传感器的选择 . 7 像处理方法 . 8 像处理技术基础 . 8 像的灰度变换 . 9 像的平滑处理 . 9 像边缘检测 . 10 章小结 . 11 第 3 章 智能小车的硬件方案与设计 . 13 械方面设计及改进 . 13 模基本参数 . 13 像头的设计安装 . 13 盘参数设计改进 . 13 轮传动机构调整 . 15 轮差速机构调整 . 15 动电机介绍 . 15 机介绍 . 16 能小车电路设计 . 16 选用 单片机介绍 . 16 件电路系统组成 . 19 电电路 . 20 钟电路 . 21 门狗电路 . 22 源稳压电路 . 22 动电机 /舵机电路 . 23 像头数据采集分离电路 . 24 3 测试结果及分析 . 43 5 3 1 测试结果 . 43 5 3 2 结果分析 . 43 第六章 总结和展望 . 45 结 . 45 望 . 45 参考文献 . 1 附录 A： . I 第一章 引 言 1 1 概述 本设计通过对国内外各种自动循迹智能小车的控制方案进行 比较和分析之后， 自主 设计了 控制方案 ，完成了 系统设计 。智能车控制系统 采用飞思卡尔 16位微控制器 为核心控制单元，包括动力电机驱动、转向舵机控制 、传感器信号采集处理、控制算法及执行等 。本设计中运用了“ 能车仿真系统”帮助完善智能车的控制算法，通过无线传输及 多种手段进行在线监测和调试 ，完成 了 智能车工程制作 。 1 2 智能小车的设计思路 智能小车比赛以快速平稳地完成赛程为目标，要求赛车能够快速准确检测跑道路经，及时作出合理的控制并迅速执行。在设计和制作过程中必须保证硬件 和软件两方面都能达到快速，稳定的目标。 硬件是智能小车运行的基础，我们通过部件的合理布局、连接，机械结构设计改装，使车体结构稳定可靠，适合赛道特点。硬件电路的设计和制作都强调可靠性，确保电路在任何可能出现的环境下都能稳定运行。 与硬件设计一样，软件的设计中主要考虑了赛道状况的判断，根据赛道状况进行加速减速的实现，以及小车所走路经的最优选择等。通过软件的功能保证小车以稳定为前提下，用最短的时间完成比赛。 下图为本次智能小车设计结构图（图 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 2 智 能 小 车 设 计硬 件 设 计 软 件 设 计机 械 系 统设 计电 路 设 计C C D 检测 系 统舵 机 控制 系 统电 机 控制 系 统图 能小车设计结构图 1 3 相关文献综述 本次设计充分利用丰富的图书馆和网络资源，深入研读邵贝贝编著的单片机嵌入式应用的在线开发方法及杨国田、白焰编著的摩托罗拉 68列微控制器原理、应用与开发技术 ，卓晴、邵贝贝、黄开胜 编著的 学做智能车 挑战“飞思卡尔”杯 等书籍，并结合国内外的设计经验和十几本相关有用文献。在硬件部分，传感器的选择与排列是小车识别方案的关键，参考张军的 片机应用系统开发典型实例的相关例子和黄开胜的文章“韩国智能模型车技术方案分析”，并结合其他相关资料和多方 面的相关意见。 在软件部分中， 法为核心 ，参考王积伟编著的控制工程一书。 1 4 内容框架安排 本文将按照 小车的设计与制作流程来详细介绍智能小车的设计方案。 第二章：介绍小车可以采用的不同的路径识别方案，论证采用 像传感器的优点和劣势，以及一些常用的图像处理技术方法； 第三章：介绍了智能小车机械方面的改进设计， 机、舵机、差速装置、传动装置的安装和调整，同时本章还介绍了小车的电路系统的设计； 第四章：该章介绍了智能小车整体软件方面的设计，着重讲述了 引言 3 的采集处理过程以及黑色 引导线的识别方法； 第五章：该章介绍了本次设计采用的开发软件平台的使用； 第六章：本章总结了本次设计，指出了需要改进的地方。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 4 第 二 章 路径识别方案及图像处理技术 本智能车系统的路径识别策略采用 觉传感器为处理器供准确的路径信息。处理器根据路径识别的结果，采用控制方法，使直流电机的速度，舵机转向控制能够与路径信息完美结合，整个系统稳定可 靠运行。 鉴于路径识别在整个智能车控制系统中的重要地位，这里给出路径识别部分的设计方案以及图像处理方法，并对采用的方案和处理方法进行详细介绍。 径识别方案设计论证 案一：基于光电传感器阵列的路径识别方案 基于反射式红外传感器的光电传感器阵列的路径检测方法具有较高的可靠性与稳定性，且易于单片机实现处理。虽然本次设计中可以使用的传感器数量多达 16 个，但光电传感器本身存在着检测距离近的问题，硬件电路复杂且不能为智能小车提供远方的路径信息；另一方面由于为了获得远方的路径信息而需要将红外传感器 前伸得尽可能远，从而增加了智能车高速运行实的转动惯量，制约了智能小车高速运行。 案二：基于线阵 像传感器的路径识别方案 由于线阵 像传感器水平分辨率很高，因此虽然其垂直分辨率只有一线，却仍然可以克服红外光电传感器水平分辨率低的问题。但这种路径识别方法也存在着无法预测前方路径走向的弊病，对小车的速度有一定的限制。 案三：基于面阵 像传感器的路径识别方案 采用面阵 像传感器作为路径检测工具，所能探测的赛道信息远多于“线阵型检测阵列”探测到的，而且也有足够远的探 测距离以方便对前方路况进行预判。另一方面，采用该方案寻线精度高，容易控制小车实现在“蛇形”路况不转弯，进弯道前提前减速，直道减少来回摆动等功能。但该方案也存在算法复全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 6 杂，图像处理难度大，采样速度等难点。 选方案 综合以上几种方案，我 们 选择了方案三即基于面阵 像传感器的智能控制作为本次设计的基本控制方案。这种方案在算法复杂的代价上为小车高速行驶创造了必要的条件。 阵 像传感器简介 电荷耦合器件 一种特殊的半导体材料。它是由大量独立的光敏元件组成，由为数众多的微小光电二极管及译码寻址电路构成的固态电子感光成像部件。这些光敏元件通常是按矩阵排列的。光线透过镜头照射到 ，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。采集时， 个元件输出的模拟电信号经放大、预处理后，经过 换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，此时一幅图像就得到了。如需进一步处理，图像数据可根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。 面阵 二维的图像传感器，它可以直接将二维图像转 变为视频信号输出。要实现对面阵 出图像信号的采集，就必须掌握面阵 工作原理。对于面阵 按照一定的方式将一维线型 光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵 于排列方式不同，面阵 有帧转移方式、隔列转移方式、线转移方式和全帧转移方式 。 阵 像传感器的工作原理 该 像传感器的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度换成与灰度一一对应的电压值，然 后将此电压值通过视频信号端输出，摄像头连续扫描图像上的一行，则输出就是一段连续的电压视频信号，该电压信号的高低起伏正反映了该行图像的灰度变化情况。当扫描完一行，视频信号端就输出低于第二章 路径识别方案及图像处理技术 7 最低视频信号电压的电平（如 并保持一段时间。也就是说，紧接着每行图像对应的电压信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。在跳过一行后（因为摄像头是隔行扫描方式）开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着就会出现一段场消隐区。此区中有若干个复合消隐脉冲（简称消隐脉冲）。在这 些消隐脉冲中有个脉冲，它远宽于（即持续时间长）其他的消隐脉冲，该消隐脉冲又称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。场同步脉冲标志着新的一场的到来。但由于场消隐区恰好跨在上一场的结尾部分和下一场的开始部分，所以要等场消隐区过去，下一场的视频信号才真正到来。摄像头每秒扫描 40 帧图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描 80 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。 阵 像传感器的选择 由于 片的处理能力不足以达到 运算能力，因此本方案采用了黑白显示模式、分辨率为 320 240、 420 线、额定电压为 5V、 式的日本板摄像头（每秒 50 帧）。由于受 内 A/D 的转换能力限制，我采用增加片外 A/D 采集芯片，在总线频率为 32情况下，每行可以采集80 个点。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 8 图 能小车和 像头图 像处理方法 通常经输入系统获取的图像信息中含有各种各样的噪声与畸变，例如室外光照强度不均匀会造成图像灰度过于集中；赛道中的杂点会使小车的判断产生错误；由于 像头获得 的图像经过 A/D 转换、线路传送都会产生噪声污染，这些不可避免地影响到了图像的清晰程度，降低图像质量，导致小车“看”错赛道，做出错误判断，严重者冲出赛道无法完成比赛。因此，在采集完图像后要对图像进行处理，这样才能令系统得到的图像数据为正确的赛道的真实反映，是小车做出符合赛道情况的 。 像处理技术基础 图像是一种信息。所谓图像处理，就是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理和应用需求的行为。数字图像处理是利用计算机或其他数字设备对图像信息进行各种加工和处理。它是一门新兴的应用学科，其发展速度异常迅速， 应用领域极为广泛。 第二章 路径识别方案及图像处理技术 9 数字图像处理的早期应用是对宇宙飞船发回的图像所进行的各种处理。到了70 年代，图像处理技术的应用迅速从宇航领域扩展到生物医学、信息科学、资源环境科学、天文学、物理学、工业、农业、国防、教育、艺术等各个领域与行业，对经济、军事、文化及人们的日常生活产生重大的影响。 数字图像处理技术发展速度快、应用范围广的主要原因有三个：首先，由于数字图像处理的数据量非常庞大，处理速度相对较慢，这就限制了数字图像处理的发展，因此计算机的计算能力迅速提高，运行速度大大提高是一个原因。另外计算机价 格迅速下降，图像处理设备从中、小型计算机迅速过渡到个人计算机，为图像处理在各个领域的应用准各了条件。第三个原因是由于视觉是人类感知外部世界最重要的手段，据统计在人类获取的信息中，视觉信息占 80%,而图像正是人类获取信息的主要途径，因此，和视觉紧密相关的数字图像处理技术的潜在应用范围自 然十分广阔。 像的灰度变换 图像的灰度变换（ 理是图像增强处理技术中一种非常基础、直接的空间域图像处理方法，也是图像数字化 的重要组成部分。灰度变换是根据某种目标按一定变换关系逐点改变原图像中每一个像素灰度值的方法。 在本次设计中 采用 0255 间的线性灰度变化，将白色设为 255，黑色设为 0，整幅图像的灰度在 0255 间变化。 除此之外，还有一种灰度变化方法，即二值化。通过非零取一、固定阈值、双固定阈值等不同的阈值变换方法，使一幅灰度图像变成黑白二值图像。但这种方法对杂点的取舍不便判断，容易造成较多的噪声，影响小车对赛道的判断，所以没有选用。 像的平滑处理 众所周知 ，实际获得的图像在形成、传输、接收和处理的过程中，不可避免地存在着外部干扰和内部干扰，如 A/D 转换过程中的不均匀性、量化噪声、采集过程中的杂点干扰等等，均会存在着一定程度的噪声干扰。噪声恶化了图像的全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 10 质量，使图像模糊，特征淹没，给分析带来困难。因此，去除噪声，恢复原始图像是图像处理中的一个重要内容。 根据本次设计的特点， 小车 像头采集到的干扰噪声主要是白色赛道上的黑色杂点。因此，我选用中值滤波法去除干扰噪声。 中值滤波是一种非线性的信号处理方法。中值滤波一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口，将窗口中的各点 灰度值的中值来替代指定点（一般是窗口的中心点）的灰度值。由于 像头拍摄到的赛道像素点阵不会过高，所以采用 3个点的方形窗口即可。 二维中值滤波可有下式表示： i e 式一 像边缘检测 图像的边缘对图像识别和计算机分析十分有用。就本次设计来说，图像边缘的检测就是检测黑色赛道的边缘，这样有利于小车更加准确地判断赛道中心线，增强寻轨精确性，提高小车稳 定性，对小车跑出好成绩起着至关重要的作用。 缘算子采用的是对角方向相邻的两个像素之差。从图像处理的角度上看，边缘定位准确，对噪声敏感。 缘检测算子是一种利用局部差分算子寻找边缘的算子，它由下式给出。 子： , , 1 , 1 1 , , 1 G i j f i j f i j f i j f i j 公式二 )1,1()1,1,( 22, 21 公式三 其中 Gi,j表示处理后 f（ i,j）点的灰度值， f i , j表示处理前该点的灰度值。f i , j是 具有整数像素坐标的输入图像，平方根运算使该处理类似于在人类视觉中发生的过程。该算法的算子如下： 01101001公式四 第二章 路径识别方案及图像处理技术 11 章小结 本章第一部分主要介绍了智能小车的循迹方式即路径识别方案，分别举出了三种路径识别方案，基于光电传感器阵列式、基于线阵 像传感器和基于面阵 像传感器的识别方案，论证了采 用面阵 像传感器的优势及存在的困难。同时，介绍了面阵 像传感器的工作原理以及在本次设计中所选的 号。 第二部分介绍了目前比较实用的图像处理方法。在本次设计中，图像处理的好坏决定着赛车的控制策略，影响着赛车的速度。本节中分别介绍了图像灰度变换，平滑处理，边缘检测几种处理技术。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 12 第 三 章 智能小车的硬件方案与设计 械方面设计及改进 模基本参数 本次设计中采用的车模是 1： 10 的实车模型 。该模型车底盘采用的是等长双横臂式独立悬架。当车轮上下跳动时，平面没有倾斜，但轮距会发生较大变化，故车轮发生侧向滑移的可能性较大。该车模的基本参数如下表： 表 模基本参数 基本参数 尺寸（ 轴距 198 前轮距 137 后轮距 138/146 车轮直径 52 传动比 18/76 像头的设计安装 我们采用的是 像头，故安装的位置对于摄像头的可视范围有较大的影响。经过试验发现，摄像头安装在车体中部高度约为 15下倾斜角度为15左右时，图像的清晰性和前瞻 性都较为让人满意。摄像头采用高强度塑料支架支撑，用热熔胶和螺栓固定，稳定性较好。 盘参数设计改进 （ 1）主销后倾角 前轮主销后倾角的作用是在车轮偏转后形成一回正力矩阻碍车轮偏转。本车模可通过调整黄色垫片的数量来改变主销后倾角。我们的车模的主销后倾角设定为 3，这样即使车模在高速行驶时仍具有足够的回正力矩，同时又可避免产生过大的后正力矩使转向沉重。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 14 （ 2）主销内倾角 车模通过罗干的长度来改变主销内倾角，调整范围为 0 10。其对模型车的性能影响不大，我将其设置为 0。 （ 3）前轮外倾角 与模型 车的侧滑关系较大，如为补偿侧滑，可增大前轮前束。须与前轮前束向匹配，我设为 0。 （ 4）前轮前束 主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可改变前轮前束的大小。左杆短，可调范围为 杆长 ,可调范围为 轮前束须与前轮外倾角相匹配，设为 0。 （ 5）底盘离地间隙 在独立悬架下摆臂与底板之间可以通过增减垫片来调整底盘离地间隙。垫片有 1 2种规格。一片垫片不加，车前部离地间隙为 9离地间隙的调整范围为 912于采用 像头式布置结构 ，为保证车模高速行驶时的稳定性并降低重心，将底盘离地间隙设为最低 9 （ 6）后轮距 后轮距可通过更换零件来调整。模型中给出两种零件，其中一种较另一种长4了弥补等长双横臂独立悬架造成的较大的侧向滑移，我采用长零件增大后轮距，减小了车模转弯时的侧向滑移，同时增强了车模的侧倾稳定性。 小车底盘参数： 表 车底盘参数 项目 数值 主销后倾角 3 主销内倾角 0 前轮外倾角 0 前轮前束 0 底盘离地间隙 9轮距 145三章 智能小车的硬件方案与设计 15 轮传动机构调整 车模后轮采 用 机驱动，由竞赛主办方提供。电机轴与后轮轴之间的传动比为 9： 38（电机轴齿轮齿数为 18，后轮轴传动轮齿数为 76）。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终成绩。调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行 , 齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，白白浪费动力 ;传动部分要轻松、顺畅，容易转动，不能有卡住或迟滞现象 。 轮差速机构调整 差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮 与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。 当车辆在正常的过弯行进中 (假设：无转向不足亦无转向过度 )，此时 4 个轮子的转速 (轮速 )皆不相同，依序为：外侧前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。此次所使用车模配备的是后轮差速机构。差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高 以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。 差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都 会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。 动电机介绍 驱动电机采用直流 伺服电机 ，我们在此选用的是 这是因为直流伺服 电机具有优良的速度控制性能 ，它输出较大的转矩，直接拖动负载运 行，同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。 在很多方面有优越性，具体来说，它具有以下优点 : 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 16 (1)具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和 负载转矩。 (2)调速范围宽，高精度，机械特性及调节特性线性好，且运行速度平稳。 (3)具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化。 (4)电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的影响。 (5)可以长时间地处于 停转状态而不会烧毁电机，一般电机不能长时间运行于停 转状 态，电机长时间停 转时，稳定温升不超过允许值时输出的最大堵转转矩称为连续堵转转矩， 相应的电 枢电流为连续堵转电流。 机介绍 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制 系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为 20度为 基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为 0，电机停止转动。舵机的控制信号是 号，利用占空比的变化改变舵机的位置。 能小车电路设计 选用单片机介绍 本次设计选用的是摩托罗拉的 控制器 作为单片机。列单片机是 列单片机的更新替代产品。这种单片机的中央处理器 以下三部分组成：算术逻辑单元 制单元和寄存器组。 部总线频率为 8部运算速度可达 25址方式有 16 种。内部寄存器组中的寄存器、堆栈指针和变址寄存器均为 16 位。它具有很强的高级语言支持功能。 累加器 A 和 B 是 8 位的，也可以组成 16 位累加器 D。 寄存器包括如下 5 个部分： （ 1） 8 位累加器 A、 B 或 16 位累加器 D。 第三章 智能小车的硬件方案与设计 17 （ 2） 16 位变址寄存器 X、 Y 是用来处理操 作数的地址。可用于源地址、目的地址的指针型变量运算。 （ 3）堆栈指针 16 位寄存器。 （ 4） 程序计数器 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 存储器有以下 3 种： （ 1） 128储器； （ 2） 12 （ 3） 4 可复用的地址数据总线。它可以工作在单片方式，也可以通过总线扩展存储空间和增加 I/O 接口电路芯片，工作在扩展方式。地址总线 20位，数据总线 16 位或 8 位，地址 和数据总线占用 3 个 8 位并行 I/O 接口，在单片方式下这 24 位可做普通 I/O 接口用。 两个 8 路 10 位精度 A/D 转换器。 脉宽调制模块（ 设置成 4 路 8 位或者 2 路 16 位，逻辑时钟选择频率宽。 串行接口有以下 3 种： （ 1） 两个异步串行通信接口模块 （ 2） 一个 线接口； （ 3） 一个同步串行外设接口 2 个具有位输入信号沿产生中断、唤醒 能的 8 位并行口，即 16 个位输入终端 通道，这 16 位也可以设为输出。 钟发生器有以下 2 种： （ 1） 具有锁相环频率合成器。这是时钟发生器中的重要电路。它的存在使外部 32振就可以产生 8总线频率。 （ 2） 也可使用 6低功耗晶振做锁相环，产生高达 25片 内总线时钟。 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 18 ，它由以下模块组成：供电电 路、时 钟电路、复位电路、 载口。 28 个 8 路 10 位 强型 8 路 16 位定时器 8 位 8 路 /16 位 4 路 个 3 个 1850 通信口 最多 5 个增强型 线接口 5N 变 压调整器 126 位键盘唤醒 ，但是该单片机需要的是 +5V 电源。单片机 I/O 模块的供电是 +5V 电压，而 片机片内使用 压，片外 I/O 使用 5V 电压，较低的片内电压使 算速度快、功耗低；较高的 I/O 电平有利于抗外界干扰，所以系统使用 +5V 电压供电，能够工作在复杂的环境之中。该 列的单片机内部集成了电压调整器模块，该模块产生单片机内部需要的其他电压，为了稳定 5V 电压，克服电机运行所产生 的电源电压变化，该供电电路加上一些储能电容和去耦电容。此外给电源系统接一个 示灯，是为了以后能够正确地观察电路工作情况。 单片机系统供电采用了 联式直流电源调整芯片，该芯片的最小输入电压为 大供电能力为 800压输出范围 压噪声小于 20于降压仅为 源效率达到 5/0