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上海海洋大学硕士学位论文 智能小车视觉伺服系统研究 摘要 随着汽车行业和生产自动化的发展，对于智能汽车的深入研究势在必行，人 们对车辆的功能要求越来越高，智能车辆也越来越得到大家的推崇。为适应这一 趋势，智能小车研究开发迫在眉睫。它是智能自动化控制研究领域的一项重要内 容。智能小车的设计研制过程涉及到了智能控制、图像处理、视觉系统、机械设 计等多个学科领域。智能小车可实现安全、可靠、快速的自适应巡航。智能小车 作为典型的高新技术综合体，具有重要的军用及民用价值。它可广泛的应用于工 厂自动料车、固定场地搬运车等技术领域，能适应恶劣的工作环境，具有广泛的 应用前景。 本文旨在研究出一套适应于中低速单片机控制平台的智能小车视觉伺服系 统。系统依托智能汽车竞赛开发平台，设计一种基于f r e e s c a l e 公司的1 6 位h c s l 2 单片机m c 9 s 1 2 x s l 2 8 的智能小车视觉伺服系统。系统的开发是基于在白色背景上 有一条任意给定的黑色带状引导线的场地，最终实现小车自动平稳沿线行驶。首 先简要介绍了智能小车的整个发展和研究历程，从车模的安装、跑道的制作，到 摄像头的选择、安装，舵机的改造和编码器的选择安装以及控制系统的硬件和软 件设计等各个部分的详细情况进行了一一阐述。智能小车视觉伺服系统主要包括 电源管理模块、图像采集模块、速度采集模块、电机驱动模块、舵机驱动模块和 调试模块。小车设计坚持稳定、简单、量轻与低重心的原则，一个好的机械系统， 是实现小车稳定性的先决条件。对小车而言，最重要的因素是其稳定性和速度。 智能小车视觉伺服系统的难点在于图像数据的采集处理，舵机转向控制策略，电 机调速控制策略，良好的控制策略能让小车的速度无极限。 为了方便摄像头标定，系统自行设计了可调式摄像头支架，获取适宜的摄像 头安装高度和角度。为了提高小车的特性和舵机的响应速度，将舵机抬高，进而 提高前轮转向速度，同时对车模的一些参数做了适当的调整，提高了车模的性能。 系统自行设计电路板，该电路板较好的集成了智能小车所需电路，使得整车的集 成度提高，性能更加可靠。 为了实现智能小车的路径精确识别，同时不牺牲系统的运行速度，系统采用 低功耗的数字摄像头c m o so v 6 6 2 0 获取实时路径信息，采用双口静态存储器 i d t 7 0 0 8 作为数据缓存。系统采用隔行隔像素扫描的方式，只采集黑色引导线附近 上海海洋大学硕士学位论文 的区域，引入中值滤波快速算法和分割阈值的迭代算法，较好解决了位置信息阶 跃的问题，实现了连续路径识别和边缘的精确定位，实现系统的优化，同时使系 统的运行速度提高约2 3 ，提高了图像边缘检测的抗干扰能力，边缘点完全由自身 的灰度值确定，避免了噪声影响范围的扩大。该方法能够提取完整的图像轮廓， 使检测所得边缘具有连续性。系统通过边缘检测方法提取跑道黑线，求出小车与 黑线间的位置偏差，采用非线性p d 控制算法对舵机转向进行控制。通过光电编码 器y z 3 0 d 4 s 一2 n a 2 0 0 实时获取小车速度，采用b a n g b a n g 控制算法对小车限速， 根据当前舵机控制量设定小车期望速度，采用非线性p 控制策略形成速度闭环控 制，实现小车的自动平稳调速，达到直道加速，弯道减速的目的。 为了使智能小车品质指标保持在最佳范围内，小车的转向系统的p d 参数采用 模糊自适应进行离线整定，并基于m a t l a b 对智能小车转向系统控制进行仿真研 究，获取较佳的转向p d 参数。 经反复实验证明，该视觉伺服系统图像质量稳定清晰，采集图像稳态误差小， 结构模块化、合理，简单可靠，性价比高，简化了电路设计，便于调试，处理速 度快，有很好的抗干扰能力。大大减少了图像采集和处理的时间，程序流程简单 明了，可方便移植到各种类型的处理器。该套方案能够在m c 9 s 1 2 x s l 2 8 微控制器 运行于4 0 m h z 的总线时钟下实现了智能小车的图像采集、处理和自动寻迹控制， 使智能小车稳定并且快速运行。 关键字：智能小车，视觉伺服系统，自动寻迹 上海海洋大学硕士学位论文 r e s e a r c ho i ls m a r tc a rs e r v o s y s t e mb a s e do nc a m e r a a b s 眦c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r ya n dm a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n ， t h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n tv e h i c l ei si m p e r a t i v e t h ei n t e l l i g e n tv e h i c l e sa r e m o r ea n dm o r er e s p e c t e db ye v e r y o n e ，d u et ot h ei n c r e a s i n g l yh i g hd e m a n df o rt h e v e h i c l ef u n c t i o n t om e e tt h i st r e n d ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h es m a r tc a ri s i m m i n e n t t h es m a r tc a ri sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ei n t e l l i g e n ta u t o m a t i cc o n t r o lf i e l d t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h es m a r tc a ri n v o l v e st h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l , i m a g ep r o c e s s i n g ，v i s i o ns y s t e m s ，m e c h a n i c a ld e s i g na n do t h e rs u b j e c ta r e a s s m a r tc a r c a na c h i e v et h es a f e ，r e l i a b l e ，f a s ta d a p t i v ec r u i s e s m a r tc a r , a sat y p i c a lh i g h t e c h c o m p l e x ，h a st h ei m p o r t a n tm i l i t a r ya n dc i v i lv a l u e i tc a nb ew i d e l yu s e di nt h ef a c t o r y m a t e r i a la u t o - t r u c k s ，f i x e d - s i t et r u c ka n do t h e rt e c h n i c a lf i e l d s i tc a l la d a p tt ot h ep o o r w o r k i n ge n v i r o n m e n t ，w i t ha w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s t h i sp a p e ri st od e v e l o pas e to ft h es m a r tc a rs e r v o s y s t e mb a s e do nc a m e r a ， a d a p t e dt ot h em e d i u m s p e e d & l o w s p e e dm i c r o c o n t r o l l e rp l a t f o r m t od e p e n do i lt h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h es m a r tc a rc o n t e s t ，av i s u a ls e r v o s y s t e mo ft h es m a r tc a r , b a s e do nf r e e s c a l e16 - b i th c s i2m i c r o c o n t r o l l e rm c 9 s12 x s12 8 ，i sd e s i g n e d t h e s y s t e m , b a s e do na w h i t eb a c k g r o u n df i e l dw i t hab l a c kr i b b o na sa n yg i v e ng u i d e l i n e ，i s t om a k et h ec a rd r i v ea u t o m a t i c a l l ya n ds m o o t h l ya l o n gt h eb l a c kr i b b o n f i r s t ，t h e d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hp r o c e s so f t h ei n t e l l i g e n tv e h i c l ei si n t r o d u c e db f i e f l y f r o m t h ei n s t a l l a t i o no ft h ec a rm o d e l , r u n w a ym a k i n g ，t ot h ec a m e r as e l e c t i o n , i n s t a l l a t i o n , t h es t e e r i n g e n g i n er e n o v a t i o n ，t h ee n c o d e ri n s t a l l a t i o n ，t h es y s t e mh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g n ，e t c ，a l lp a r t sw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h es e r v o s y s t e mo f t h es m a r tc a r i n c l u d e sm a i n l yt h ep o w e rm a n a g e m e n tm o d u l e ，t h ei m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，t h e s p e e da c q u i s i t i o nm o d u l e ，t h em o t o rd r i v em o d u l e ，t h es e r v od r i v em o d u l ea n dt h e d e b u gm o d u l e t h es m a r tc a rd e s i g na d h e r e st ot h ep r i n c i p l eo f t h es t a b l i l i t y , s i m p l i c i t y ， l i g h t w e i g h ta n dl o wc e n t e ro fg r a v i t y ag o o dm e c h a n i c a ls y s t e m , i sap r e r e q u i s i t ef o r t h es t a b i l i t yo ft h ec a r t ot h ec a r , t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ri st h es t a b i l i t ya n ds p e e d t h ed i f f i c u l t yl i e si nt h ev i s u a ls e r v os y s t e mi m a g ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ， s e r v os t e e r i n gc o n t r o ls t r a t e g ya n dm o t o rs p e e dc o n t r o ls t r a t e g y ag o o dc o n t r o ls t r a t e g y c a nm a k et h es p e e do ft h ec a rw i t h o u tl i m i t t of a c i l i t a t et h ec a m e r ac a l i b r a t i o n ，a r ta d j u s t a b l ec a m e r as t a n di sd e s i g n e dt og e t t h es u i t a b l ec a m e r am o u n t i n gh e i g h ta n da n g l e i no r d e rt oi m p r o v et h ec a r c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es t e e r i n gr e s p o n s es p e e d ，t h es t e e r i n ge n g i n ei s e l e v a t e d ，t h e r e b y 1 1 1 上海海洋大学硕士学位论文 i n c r e a s i n gt h es p e e do ft h ef r o n tw h e e ls t e e r i n g ，w h i l es o m eo f t h ep a r a m e t e r so ft h ec a l m o d e la r ea p p r o p r i a t e l ya d j u s t e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec a rm o d e l t h e c i r c u i tb o a r d ，r e q u i r e df o rt h es m a r tc a ra n db e t t e ri n t e g r a t e d ，i sd e s i g n e d ，i m p r o v i n g t h ec a ri n t e g r a t i o na n dm a k i n gt h ec a rp e r f o r m a n c em o r er e l i a b l e i no r d e rt oa c h i e v et h ep r e c i s ei d e n t i f i c a t i o no ft h ep a t h , w h i l en o ts a c r i f i c i n g s y s t e ms p e e d ，t h es y s t e mu s e st h el o w p o w e rd i g i t a lc a m e r ac m o so v 6 6 2 0f o rt h e r e a l - t i m e p a t hi n f o r m a t i o n , w i t hd u a l - p o r ts r a mi d t 7 0 0 8 a st h ed a t ac a c h e m e a n w h i l e ，t h es y s t e mu s e si n t e r l a c e ds c a n n i n ge v e r yp i x e lm o d e ，o n l yt h eb l a c kg u i d e l i n ec o l l e c t e dn e a rt h ea r e a ，t h ei n t r o d u c t i o no ft h ef a s tm e d i a nf i l t e r i n ga l g o r i t h ma n d t h eo p t i m u mt h r e s h o l do fi m a g es e g m e n t a t i o nb a s e do ni t e r a t i v ea l g o r i t h m ，s o l v e st h e i s s b eo ft h el o c a t i o ni n f o r m a t i o ns t 印a n dr e a l i z e so ft h ec o n t i n u o u sp a t hi d e n t i f i c a t i o n a n dt h ep r e c i s ep o s i t i o n i n go ft h ee d g e ，a c h i e v i n gt h es y s t e mo p t i m i z a t i o n , w h i l et h e o p e r a t i n gs p e e do ft h es y s t e mi si n c r e a s e db ya b o u t2 3 ，i m p r o v i n gt h ea n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t yo fe d g ed e t e c t i o n , e d g ep o i n td e t e r m i n e de n t i r e l yb yi t so w l l 伊a yv a l u e ，t oa v o i d t h ee x p a n s i o no ft h es c o p eo fi n t e r f e r e n c ei m p a c t t h i sm e t h o dc a l le x t r a c tt h ec o m p l e t e p i c t u r eo ft h ec o n t o u r s ，m a k i n gt h ee d g ed e t e c t i o nw i t hc o n t i n u i t y e x t r a c t e dt h eb l a c k l i n eb yt h ee d g ed e t e c t i o na l g o r i t h m , t h ep o s i t i o ne r r o rb e t w e e nt h ec a ra n dt h eb l a c k l i n ei s o b t a i n e d ，u s i n gn o n l i n e a rp dc o n t r o la l g o r i t h mt oc o n t r o lt h es t e e r i n gs e l v o ， t h r o u g ht h eo p t i c a le n c o d e ry z 3 0 d 4 s - 2 n a - 2 0 0t og e tt h er e a l - t i m es p e e do ft h ec a r , u s i n gb a n g b a n gc o n t r o la l g o r i t h mt ol i m i tt h ec a l - s p e e d b a s e do nt h ec u r r e n tt e e r i n g c o n t r o l ，t h ee x p e c t a t i o nv a l u eo ft h ec a rs p e e di ss e t ，t h en o n l i n e a rp c o n t r o ls t r a t e g yf o r t h es p e e dc l o s e d l o o pc o n t r o lt oa c h i e v et h es t e a d ya n da u t o m a t i ca d j u s t m e n to ft h ec a r , t or e a l i z et h ea c c e l e r a t i o no nt h es t r a i g h tl a n e ，a n dt h ed e c e l e r a t i o no nt h ec u r v e w i t ht h ep u r p o s eo fm a k i n gt h es m a r tc a rt ok e e pt h eb e s tr a n g eo fq u a l i t y i n d i c a t o r s ，t h ep dp a r a m e t e r so f t h ec a rs t e e r i n gs y s t e mu s e st h ef u z z ya d a p t i v eo f f - l i n e t u n i n g t h ec a rs t e e r i n gs y s t e mi ss i m u l a t e db a s e do nm a t l a b ，t oo b t a i nt h eb e t t e r s t e e r i n gp dp a r a m e t e r s r e p e a t e de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ev i s u a ls e l w os y s t e mi ss t a b l ea n dh a sc l e a r i m a g eq u a l i t y t h es t e a d y - s t a t ee r r o ro ft h ei m a g ea c q u i s i t i o ni ss m a l l t h es y s t e mh a s m o d u l a rs t r u c t u r e ，a n di ti sr e a s o n a b l e ，s i m p l e ，r e l i a b l e ，c o s t - e f f e c t i v e ，s i m p l i f i e st h e c i r c u i td e s i g n , e a s yt od e b u g ，h a st h ef a s tp r o c e s s i n gs p e e d ，av e r yg o o da n t i i n t e r f e r e n c e ，g r e a t l yr e d u c i n gt h et i m eo fi m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g t h e p r o g r a mf l o wi ss i m p l e t h es y s t e mc a nb ee a s i l yp o r t e dt ov a r i o u st y p e so fp r o c e s s o r s w i t ht h em i c r o c o n t r o l l e rm c 9 s12 x s12 8r u n n i n gu n d e rt h e4 0m h zb u sc l o c k ，t h e s y s t e mc a na c h i e v et h ei m a g ea c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n da u t o m a t i ct r a c i n g ，m a k i n gt h e s m a r tc a rr u ns t a b l ya n dq u i c k l y k e yw o r d s ：s m a r tc a r , v i s u a ls e r v o s y s t e m , a d a p t i v ec r u i s e i v 渔渔滢太堂博硕士学位论文 答辩委员会成员名单 姓名工作单位职称备注 国家渔业机械仪器 张祝利高级工程师主席 质量监督检验中心 上海海洋大学工程 王永鼎教授委员 学院 上海海洋大学工程 吴子岳副教授委员 学院 委员 委员 委员 委员 上海海洋大学工程 高丽讲师秘书 学院 答辩地点工程学院3 0 2 室答辩日期2 0 1 0 0 1 0 7 上海海洋大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章引言 汽车已经成为人们日常生活不可缺少的交通运输工具，汽车工业水平和家庭平均汽 车拥有数量己成为衡量一个国家工业发达程度的标志。随着汽车数量的增加，交通事故、 交通堵塞和环境污染等问题越来越严重，己成为全球的社会公害问题，同时也是汽车界 工程技术人员急需解决的重要课题。近年来，许多发达国家投入大量的人力、物力进行 智能交通和智能汽车的研究，以期解决汽车带来的交通问题。现在半导体在汽车中的应 用原来越普及，汽车的电子化已成为行业发展的必然趋势。它包括了汽车电子控制装置， 即通过电子装置控制汽车发动机、底盘、车身、制动防抱死及动力转向系统等，到车载 汽车电子装置，即汽车信息娱乐系统、导航系统、汽车音响及车载通信系统等等，几乎 涵盖了汽车的所有系统。汽车电子的迅猛发展必将满足人们逐步增长的对于安全、节能、 环保以及智能化和信息化的需求【l 】。 智能汽车，是一种集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统，集 中地应用到自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个 学科，是典型的高新技术综合体，具有重要的军用及民用价值。智能车是典型的、多学 科的、综合性的高科技和高新技术的结合体，涉及传感器技术、信息融合技术、微电子 技术、计算机技术、智能自动控制技术、人工智能技术、网络技术、通信技术等，在一 定程度上代表了一个国家自动化智能的水平。智能汽车的开发与研究受到国内外众多汽 车生产商和研究机构的重视，是发达国家重点发展的智能交通系统中的重要组成部分， 也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。 智能车辆在原车辆系统基础上主要由计算机处理系统、摄像机和一些传感器组成。 摄像机用来获得道路图像信息，车速传感器用来获得车速，障碍物传感器用来获得前方、 侧方、后方障碍物信息等，然后由计算机处理系统来完成对所获图像、信息的预处理、 增强与分析识别工作，并对车辆的行驶状况做出控制。智能车有着十分广泛的应用前景， 许多国家都在积极进行智能车辆的研究，最典型的运用就是在智能运输系统上的应用。 智能车辆在物流、军事等众多领域都有很广泛的应用前景。 目前，智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系 统甚至实现无人驾驶。这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别，通过推理判 断模仿人工驾驶进行操作。通常，智能车接受辅助定位系统提供的信息完成路径规划 如由g p s 等提供的地图，交通拥堵状况，道路条件等信息。 4 上海海洋大学硕士学位论文 1 2 智能车的发展历史 1 9 5 3 年，美国b a r r e t te l e c t r i c 公司制造了世界上第1 台采用埋线电磁感应方式跟 踪路径的自动导向车，也被称作“无人驾驶牵引车”。2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代初， a g v 仍采用这种导向方式。但是，2 0 世纪7 0 年代中期，具有载货功能的a g v 在欧 洲得到了应用并被引入到美国。这些自动导向车主要用于自动化仓贮系统和柔性装配系 统的物料运输。在2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代初，a g v 的应用领域扩大而且工作条件 也变得多样化，因此，新的导向方式和技术得到了更广泛的研究与开发。在最近的1 0 - 1 5 年里，各种新型a g v 被广泛地应用于各个领域。单元式a g v 主要用于短距离的物料 运输并与自动化程度较高的加工设备组成柔性生产线。例如，自动导向叉车用于仓贮货 物的自动装卸和搬运；小型载货式a g v 用于办公室信件的自动分发和电子行业的装配 平台。除此以外，a g v 还用于搬运体积和重量都很大的物品，尤其是在汽车制造过程 中用多个载货平台式a g v 组成移动式输送线，构成整车柔性装配生产线。最近，小型 a g v 应用更为广泛，而且以长距离不复杂的路径规划为主。a g v 从仅由大公司应用， 正向小公司单台应用转变，而且其效率和效益更好。至此出现了智能车的概念1 2 j 。 城市公共交通是与人民群众生产生活息息相关的重要基础设施。然而，目前世界上 许多大城市都面临着由私人汽车过度使用而带来的诸多问题，例如道路堵塞、停车困难、 能源消耗、噪声污染和环境污染等，这些问题严重降低了城市生活的质量。优先发展城 市公共交通是提高交通资源利用效率，缓解交通拥堵的重要手段。国务院总理温家宝于 2 0 0 5 年l o 月做出重要批示，要求优先发展城市公共交通，这是贯彻落实科学发展观和 建设节约型社会的重要举措。大容量城市公共交通，如地铁、轻轨等，其最大优点是空 间利用率和能源利用率较高。然而，由于缺乏足够的时间、空间、运力灵活性，在客流 量不足的情况下，系统效率将大大降低，运营成本过高，难以大力推广和应用。回顾汽 车发展的百年历史，不难发现其控制方式从未发生过根本性改变，即由人观察道路并驾 驶车辆，形成“路一人一车”的闭环交通系统。随着交通需求的增加，这种传统车辆控 制方式的局限性日益明显，例如安全性低( 交通事故) 和效率低( 交通堵塞) 。最新调 查表明，9 5 的交通事故是由人为因素造成，交通堵塞也大都与驾驶员不严格遵守交通 规则有关。如果要从根本上解决这一问题，就需要将“人”从交通控制系统中请出来， 形成“车一路”闭环交通系统，从而提高安全性和系统效率。这种新型车辆控制方法的 核心，就是实现车辆的智能化。 智能车有着极为广泛的应用前景，结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的 自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头， 就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；它也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、 上海海洋大学硕士学位论文 有害的工作环境里，此外它还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等 任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人 工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会 控制车辆自动停下来，撞车就不会发生了。 1 3 智能车辆的研究 智能车辆的研究主要是基于模糊控制理论、人工神经网络技术和神经模糊技术等人 工智能的最新理论和技术而开展研究的，同时，现代控制理论，自主导航技术等先进技 术在智能车辆的研究中也有所应用。上海交通大学用现代控制理论的方法设计出了一种 自动驾驶汽车的模型，是在汽车系统的动力学建模的基础上，设计的自动驾驶汽车的转 向系统，它能根据道路的弯曲程度变化实时地计算出车辆的转向盘角度输入，控制车辆 按预设道路行驶。在智能车辆的研究中，车辆的自主导航技术也是其研究的核心问题， 人们先后把地下埋线导航、光学导航、视觉导航、超声导航和红外导航等技术用于智能 车辆的研究中。吉林工业大学设计并制造了一辆用c c d 识别地面铺设的条状路标而进 行导航的智能车辆，车辆由图像识别、行驶、转向驱动、制动、避障和其他辅助系统组 成，目前，该车可以稳定跟踪直线、弧线、s 型线等轨迹自动行驶，车速可达2 0k m h 【3 j 。 1 4 课题研究的意义 目前，随着生产技术的发展和自动化程度的提高，设计出具有智能化的产品已经成 为人们的主要开发产品，也是商家开发产品的目标之一和学生课外科技活动的热点之 一。智能小车是智能自动化控制研究领域的一项重要内容。作为一门新兴的综合技术， 可广泛的应用于工厂自动料车、固定场地搬运车等技术领域，具有良好的应用前景。它 也可应用于复杂、恶劣的工作环境，是物流系统环节搬运设备的代表。但它要到达人们 设想的高度智能化还有很长的距离，它的发展与图像处理、模式识别、检测、控制等诸 多技术的发展有着密切的联系。 智能小车偏向小型化，而且以长距离不复杂的路径规划为主，导向方式和工作条件 变得多样化，正向小公司单台应用转变，被广泛地应用于各个领域。 智能小车的视觉伺服系统设计的重点是如何获得数字化的图像信号，并尽可能在不 出现漏检的前提下，获取尽可能多的道路信息。 近年来，出现了越来越多的基于d s p 、f p g a 等高速处理器的图像采集系统，主要 用于用于运算量大的实时处理算法的实现【4 】。但这些高速图像采集系统并不适合于中低 速单片机控制平台，且它们均采用分离元件实现采集控制电路，如产生视频缓冲存储器 的地址、锁相环路的分频，视频的a d 转换，采集控制，数字信号处理器，电路设计复 6 上海海洋大学硕士学位论文 杂，成本高而且不便于调试。所以，为了适应智能车竞赛的开发平台，利用低功耗的 c m o s 数字摄像头o v 6 6 2 0 ，开发了以飞思卡尔m c 9 s 1 2 x s l 2 8 微控制器为主控芯片的 视觉伺服系统，同时采用i d t 公司的双口静态f i f o 存储器i d t 7 0 0 8 作为缓冲存储器， 将信号完整的采集进系统。为了实现对图像采集系统的优化，引入中值滤波快速算法和 分割最佳阈值的迭代算法，以达到提高运算速度和更好的消除随机噪声的干扰。该视觉 伺服系统的开发是基于在白色背景上有一条任意给定的黑色带状引导线的场地。该系统 简单可靠，集成度高，实用灵活，通用性强，性价比高，能提高检测成功率和小车极限 速度，减少采集过程中的干扰，可方便移植到各种类型的处理器。 1 5 课题研究对象及其主要研究内容 系统依托智能汽车竞赛开发平台，设计基于单片机的智能小车视觉伺服系统。它将 在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，系统要求小车能够在白色的场地上，通过自身 自动调整转向角和车速，使其能自动地沿着一条任意给定的黑色带状引导线行驶。智能 小车视觉伺服系统采用低功耗c m o s 摄像头o v 6 6 2 0 ，以飞思卡尔高性能1 6 位单片机 m c 9 s 1 2 x s l 2 8 作为主控c p u ，采用非线性p d 控制算法控制舵机转向，根据舵机转角实 时控制直流电机，转角越大，速度越小，同时根据光电编码器y z 3 0 d 4 s 2 n a - 2 0 0 采集到 的脉冲数，实时获取小车速度，采用b a n g b a n g 控制算法对小车限速，形成速度非线性p 控制闭环控制，从而实现智能小车自动平稳沿线行驶。 7 上海海洋大学硕士学位论文 2 1 小车的设计思路 第二章系统总体设计 小车整体在设计的过程中始终坚持稳定、简单、量轻与低重心的原则。 稳定指电路运行和机械安装的稳定。在电路设计过程中精心选用和合理布局元器 件、巧妙布线以及有意识地采取一些抗干扰措施等来达到使电路稳定运行的目的。在机 械安装上不仅要求各安装部件牢固合理地安装在小车的相应位置上，同时要能保证在日 常的调试过程中尽量减少机械磨损和尽量避免因意外碰撞而导致的损坏。 简单指在能满足功能要求的前提下尽量简化电路设计和机械安装设计，以期达到更 小的故障率，更少的能源消耗，更快的可修复性和更高的资源利用率，使得小车稳定、 简洁美观。 量轻指通过简化电路设计和机械安装，以及选用合理的器件和部件等措施来减轻小 车的重量，以达到减少机械磨损，增加部件寿命，提高机械响应速度和整车的可控性等 目的。 低重心指通过合理的机械安装、机械调节和部件选择等措施来降低小车的重心，减 小小车侧翻的可能性，提高小车运行的速度上限和可控性【5 】。 以上各原则相互配合、相互影响，通过精心设计后使得小车整体达到了比较理想的 状态。 2 2 系统总体框图 智能小车视觉伺服系统以飞思卡尔公司高性能1 6 位单片机m c 9 s 1 2 x s l 2 8 为核心 控制器，主要包括电源管理模块、图像采集模块、速度采集模块、电机驱动模块、舵机 驱动模块和调试模块。调试模块通过r s 2 3 2 串行接口与p c 机通讯，采用b d m 调试模 式，可以直接在线调试，使开发效率大大提高，同时采取串口通信，便于实时调试。系 统总体结构如图2 1 所示。 8 上海海洋大学硕士学位论文 s e n s o rl a y e r a r b i t r a t i o nl a y e d r i v e rl a y e r 图2 - 1 系统总体结构框图 f i g u r e2 - 1 t h ew h o l es y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 2 2 1 主要模块 ( 1 ) m c 9 s 1 2 x s l 2 8 处理器：该模块是整个系统的核心和大脑部件，所有的信息都 要由它处理。 ( 2 ) 数据采集模块：采集模块主要有图像采集和速度采集，相当于车模的“眼睛”。 经过比较最终采用了c m o s 的o v 6 6 2 0 摄像头对图像进行采集。在速度采集方面，选用了 y z 3 0 d 4 s 2 n a 2 0 0 光电编码器。 ( 3 ) 驱动模块：主要有电机驱动和舵机驱动。为了保险起见，使用一稳压芯片给 舵机供电。 ( 4 ) 电源模块：整个系统采用7 2v 镍镉蓄电池供电，其中各模块主要用到的有5v $ 1 6v ，为整个车模提供动力，5v 芯片选择的是l m 2 9 4 0 ，6v 芯片选择的是l m 7 8 0 6 。 摄像头和单片机，采用分别供电的方式供电。 ( 5 ) 调试模块：调试模块采用开发软件c o d e w a r r i o r 和在线调试工具b d m 。调试模 块包括上位机模块，进行串口通信。 2 2 2 工作过程 系统将图像采集模块，速度采集模块采集到的路况信息、速度信息和小车状态信息 等送到整个系统的核心部件m c 9 s 1 2 x s l 2 8 进行分析处理，然后发出相应控制命令输出 到执行模块的电机和舵机执行适宜的速度和转向动作配以b d m 调试，进而实现整个系 统的闭环反馈控制。 9 上海海洋大学硕+ 学位论文 在整个系统中，信息处理芯片m c 9 s 1 2 x s l 2 8 是控制整个系统的大脑，负责信息的 接收，处理以及执行命令的发出；电源管理模块是该系统的能源中心，负责向系统中各 个模块提供其功能实现所需能量；调试模块是系统功能实现的辅助模块，通过实际情况 显示道路信息和小车行驶情况，并根据显示信息实时调试。 2 3 系统硬件方案设计 视觉伺服系统主要是由c m o s 摄像头o v 6 6 2 0 和飞思卡尔高性能1 6 位单片机 m c 9 s 1 2 x s l 2 8 组成，并考虑到单片机的m c 9 s 1 2 x s l 2 8 读取速度比摄像头o v 6 6 2 0 输 出速率慢，使用高速、低功耗异步的h f o 双口静态存储器i d t 7 0 0 8 进行数据缓存。实 现系统的优化。系统结构简洁、成本低廉、通用性强，可方便地移植到各种类型的系统。 m c 9 s 1 2 x s l 2 8 可以升级到4 0m h z ，能够达到通常只有3 2 位控制器才能达到的性 能水平，完全可以满足图像采集处理、电机、舵机实时控制的要求。 c m o s 摄像头o v 6 6 2 0 ，具有很高的灵敏度和集成度，功耗相对于c c d 有很大的降 低，可与单片机共用5 v 电压供电，n a l 制，每秒2 5 帧，一帧两场，那么每秒就有5 0 场， 2 0m s 就有一幅图像产生，3 5 6x2 9 2p i x e l s 。当它与单片机进行数据传输时无需a d ，无 需视频同步分离芯片l m l 8 8 1 ，行场同步中断信号有现成的。场中断v s y n 通过下降沿捕 捉，行中断h r e f 通过上升沿捕捉1 6 。 系统采用7 2v 的镍镉电池组作为系统的供电电源，为满足系统需要，系统采用稳 压芯片l m 2 9 4 0 和l m 7 8 0 6 来获得5v 和6v 稳定电压。直流电机驱动采用p w m 直流 脉宽调速，用2 片飞思卡尔半桥式驱动器m c 3 3 8 8 6 级联驱动，一方面进一步减小导通 电阻对电机特性的影响，另一方面减小过流保护电路对电机启动及制动时的影响。速度 采集模块采用光电编码器y z 3 0 d 4 s 2 n a 一2 0 0 实时获取小车速度信息，实现速度闭环控 制，系统硬件方案设计如图2 2 所示。 ， 1 0 上海海洋大学硕士学位论文 图2 - 2 系统硬件方案设计框图 f i g u r e2 - 2 d i a g r a mo f s y s t e mh a r d w a r es c h e m a t i cs t u c t u r e 2 4 系统软件方案设计 系统的软件流程图如图2 3 所示： 图2 - 3 系统流程图 f i g u r e2 - 3 s y s t e mf l o w c h a r t 1 1 上海海洋大学硕七学位论文 首先对系统各部分进行初始化，初始化完毕后对图像进行采集，图像的采集和处理 是实时进行的，采集后进行图像处理，提取出黑线的位置，然后依照黑线的位置对舵机 和电机进行控制。最后不断的重复，就可以让小车顺利的在跑道上行驶。 2 5 方案简介 小车选择了总线频率较高的m