摄像头智能车设计方案 PPT课件

摄像头智能车设计方案 2020 4 5 1 Slide2 主要内容 摄像头智能车系统概述单片机片上资源分配摄像头及图像处理电机 舵机及其控制硬件设计方案软件设计方案 2020 4 5 摄像头智能车系统概述 Slide3 CCD摄像头 ColdFire系列单片机MCF52259最小系统 FutabaS3010舵机 智能车系统主板 光电编码器 驱动模块及直流电机 2020 4 5 摄像头智能车系统概述 Slide4 MCF52259控制器 电源管理模块 CCD图像采集模块 蓝牙串口通信模块 舵机 转向轮 BTS7960驱动模块 直流电机 驱动轮 光电编码器 系统总体框图 2020 4 5 摄像头智能车系统概述 智能车的工作过程 摄像头捕捉跑道的图像 并传输给单片机 单片机内嵌程序对图像信息进行处理 根据控制策略得出电机应达到的转速和舵机应有的打角 并控制舵机和电机驱动模块作出相应的动作 舵机改变打角 电机加减速 光电编码器跟随小车的运行向单片机发出脉冲 单片机通过脉冲计数模块记录脉冲个数从而计算出电机转速 并进行速度调节 Slide5 2020 4 5 单片机片上资源分配 Slide6 传输方向指对单片机而言 2020 4 5 单片机片上资源分配 内存分配内存用于程序运行期间指令 变量的存储 单片机内存较小 以XS128为例 8K 应避免浪费 尤其应注意图像数据 二维数组 的存储空间 Slide7 60行 100列 60 100Byte 6KB charImage 60 100 2020 4 5 摄像头与图像处理 摄像头的选用根据感光器件单元分类 摄像头有两类 CCD和CMOS二者比较如下 灵敏度高决定了图像动态性好 高解析度决定了前瞻距离远 因此CCD摄像头是较好的选择 Slide8 2020 4 5 摄像头与图像处理 Slide9 CMOS CCD 2020 4 5 摄像头与图像处理 按输出信号类型划分 摄像头又可分为模拟式和数字式 模拟式可见于CCD和CMOS 数字式目前做智能车可用的只有CMOS Slide10 OV7620数字摄像头 2020 4 5 摄像头与图像处理 摄像头信号信号制式 NTSC PAL SECAM1 正交平衡调幅制 NationalTelevisionSystemsCommittee 简称NTSC制 采用这种制式的主要国家有美国 加拿大和日本等 2 正交平衡调幅逐行倒相制 Phase AlternativeLine 简称PAL制 中国 德国 英国和其它一些西北欧国家采用这种制式 3 行轮换调频制 SequentialColeurAvecMemoire 简称SECAM制 采用这种制式的有法国 前苏联和东欧一些国家 智能车摄像头通常为PAL制式 Slide11 2020 4 5 摄像头与图像处理 PAL制式信号特点 每秒25帧 每帧625行 分为奇场 由第1 3 5 行组成 和偶场 由第2 4 6 行组成 组成 图像信号 复合同步信号 复合消隐信号 Slide12 2020 4 5 摄像头与图像处理 PAL制式信号复合消隐信号的作用 在图像的分解或恢复的扫描逆程中 若不采取措施 将出现行 场回扫线 这将对正程所传送的图像起干扰作用 复合消隐信号能消除行 场回扫线 复合同步信号的作用 为了收 发同步的需要 视频信号发送端每当扫描完一行时加入一个行同步脉冲 每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲 它们分别在行与场逆程期间传送 其宽度分别小于行 场逆程时间 Slide13 2020 4 5 摄像头与图像处理 PAL制式信号 Slide14 2020 4 5 摄像头与图像处理 复合视频信号的分离 Slide15 行同步 场同步 2020 4 5 摄像头与图像处理 视频信号分离芯片 LM1881 Slide16 2020 4 5 图像采集 摄像头与图像处理 Slide17 LM1881 ECT1ECT2AD 场同步 行同步 图像信号 单片机 行 场同步信号分别作为中断源输入单片机 从而确定何时开始采集新的一行 何时采集新的一副图像 这两个中断信号可称为 行中断 场中断 通常 采集模拟摄像头需要用到单片机AD模块 也可采用片外AD转换器 2020 4 5 摄像头与图像处理 图像采集 Slide18 初始化 场中断 Lin 0 Col 0 图像处理相关操作 行中断 Col 0 Lin 点数足够 采集一个点 Col END N Y END 图像存储数组为Img Lin Col 2020 4 5 摄像头与图像处理 图像采集图像采集速度受AD模块频率限制 应尽可能提高AD时钟频率 以提高单位时间内采集的图像点数 采用片外AD芯片代替片上AD 或者采用硬件二值化 通过I O口读取数据 可明显提高图像采集速度 图像采集行中断程序应包含尽量少的操作 条件判断 变量累加 以提高程序执行次数 测试发现 用指针直接访问数组比通过数组名访问数组速度要快 因此对图像数组的访问也应尽量用指针的方式 Slide19 2020 4 5 摄像头与图像处理 图像处理 Slide20 赛道图像 黑色边线 白色背景 无关信息 弯道 直道 十字交叉 2020 4 5 摄像头与图像处理 图像处理灰度图像 所谓灰度图 Grayscale 是只含亮度信息 不含色彩信息的图像 就像平时看到的亮度由暗到明的黑白照片 这种变化是连续的 因此 要表示灰度图 就需要把亮度值进行量化 通常划分成0到255共256个级别 0最暗 全黑 255最亮 全白 本系统所使用的摄像头采集到的就是黑白图像 经过A D 8位精度 量化用256阶灰度值进行表示 Slide21 0 255 2020 4 5 摄像头与图像处理 图像处理二值化图像 根据图像处理的目标和要求 多灰度级的输入图像经过处理以后 就变成只有两个灰度级的图像 这种处理称为图像的二值化处理 经过二值化处理后的图像称为二值图像 找出一个合适的阈值 当所采图像灰度值大于该阈值时判断为白色 当小于该阈值时判断为黑色 二值化方法 软件二值化 阈值比较 条件判断硬件二值化 电压比较器 Slide22 2020 4 5 摄像头与图像处理 图像处理 Slide24 二值化图像 2020 4 5 摄像头与图像处理 图像处理黑线的提取 常用方法 跳变检测一行图像 Slide25 图像有效信息 2020 4 5 摄像头与图像处理 图像处理赛道图像偏移量的计算最简单的方法 根据每行中左右两侧黑点的位置 求平均值 得出赛道中心线各点坐标 中心线各点加权求和 得出偏移量 作为控制系统输入 速度控制应参考远处图像信息 转向控制应参考近处信息 求和时远近点权重应有所调整 Slide26 2020 4 5 摄像头与图像处理 图像处理特殊情况处理 十字交叉黑线不完整 虚线或干扰 丢失左 右边黑线未检测到赛道图像 冲出赛道 Slide27 2020 4 5 电机 舵机及其控制 MOS管驱动桥 Slide28 2020 4 5 电机 舵机及其控制 电机驱动BTS7960 Slide29 2020 4 5 电机 舵机及其控制 电机驱动BTS7960 Slide30 2020 4 5 电机 舵机及其控制 驱动模块电路图 Slide31 注 74LS244用于隔离单片机与驱动芯片 防止在驱动芯片击穿时烧坏单片机 同时用于限流 2020 4 5 电机 舵机及其控制 驱动模块控制方法用PWM模块控制 两路PWM 实现正反转 反转用于智能车制动 占空比大小决定电机输出功率 为保证电机运转平稳 冲击小 同时考虑驱动芯片最高频率限制 PWM频率应设为1 15K 依据实测经验 推荐值为8KHz Slide32 2020 4 5 电机 舵机及其控制 舵机 以FutabaS3010为例 Slide33 2020 4 5 电机 舵机及其控制 舵机 以FutabaS3010为例 引脚定义 VCC 红 Signal 白 DNG 黑 舵机输入信号 PWM转角与PWM信号的关系 高电平为1520us时 一定为中间位置 高电平为920us时 一定为最左边位置 高电平为2120us时 一定为最右边位置 说明 该舵机的转角只与高电平脉宽有关 与占空比无关 Slide34 2020 4 5 硬件设计方案 硬件设计主要模块电源模块 5V 3 3V稳压模块 12V稳压模块 CCD供电 6V稳压模块 舵机供电 S3010舵机可直接用电池供电 图像采集模块 视频分离芯片LM1881 电压比较器 硬件二值化 片外AD芯片等 电机驱动模块 Slide35 2020 4 5 硬件设计方案 电源模块设计 Slide36 2020 4 5 硬件设计方案 电源模块设计5V稳压芯片可选用LP3853 5 0芯片 电压更稳 但成本高 电路复杂 为保证单片机供电稳定 不受干扰 通常为单片机单独分配一个稳压模块 Slide37 2020 4 5 硬件设计方案 电源模块设计 Slide38 12V稳压模块电路图 2020 4 5 硬件设计方案 图像采集模块模块示意图 以第七届方案为例 Slide39 LM1881 LM393 单片机 行中断 场中断 ECT TLC5615 I O CCD 功能 硬件二值化 动态阈值 DA转换芯片 2020 4 5 硬件设计方案 图像采集模块思考 现拟采用片外AD芯片 CCD摄像头 试给出设计方案 Slide40 2020 4 5 软件设计方案 单片机程序 Slide41 初始化 等待 图像数据准备好 图像处理 转向 速度控制 Y N 主程序框图 子程序 各模块初始化程序图像中断程序 图像采集 定时中断程序 测速 PID计算程序串口发送 接收程序 各子程序均以子函数形式封装 2020 4 5 软件设计方案 单片机程序 Slide42 CodeWarrior工程文件结构正式开发时应尽量避免所有代码都写在 main c 里 而应做到分类分块保存 函数在各 c 文件里实现 并在同名头文件里进行声明 如 init c里包含了各模块初始化函数的实现 init h则对各函数进行声明 2020 4 5 软件设计方案 单片机程序示例 Slide43 Init h Init c 2020 4 5 软