小车导航方案设计

小车导航方案设计小车从起点到救援区的赛道部分的导航通过摄像头实现，利用摄像头对道路信息进行采集，再通过单片机MC9S12XS128对采集的图像数据进行处理，计算出小车在赛道中的位置，从而控制小车沿着赛道行驶，保证小车在整个行驶过程中不压线出界。图3主控芯片MC9S12XS128图4OV7620摄像头实物图救援区LED探测方案设计救援区设置有四个待救援位置，其中一个放置1Hz闪烁LED指示灯，其余放置常亮LED指示灯，救援车根据1Hz闪烁LED灯提示选择位置停车。LED的探测由光敏三极管实现。如图3所示，在小车的前方安装四个由光敏三极管制作的探测头，当小车到达救援区即半圆圆心处时，立即让小车停止，分别检测半圆圆弧上四个待救援位置方向的LED发出的光强，其中光强相对较弱的为1Hz闪烁LED灯，即要寻找的救援车停车位置。进入待救援位置方案设计当小车探测到1Hz闪烁LED灯提示的停车位置后，小车就开始启动，行驶到待救援位置停车。然而此时小车不能再由摄像头来导航，因为救援区没有黑线制作的赛道。可以选择如下三种方案：（1）利用由光敏三极管制作的四个探测头，探测1Hz闪烁LED灯，引导小车进入停车位。（2）在每个待救援位置处安装一个激光发射装置，小车上安装一个激光接受矩阵，沿着已检测出的停车位所发出的那束激光进入停车位。（3）在小车正前方安装一个电子罗盘，当小车停在半圆圆心处时，四个停车位在圆弧上的位置已经确定，每个停车位相对于小车的方向也已经确定，用电子罗盘做指南针，引导小车进入已被探测到的停车位。第一种方案比较难操作，因为四个待救援都有LED在发光，只是那个1Hz闪烁LED灯的光会弱一些，当小车在救援区内可能会由于其他LED的影响而进错停车位；第二种方案不确定是否满足赛题的要求，赛题没有明确规定能否在停车位处放置其他的引导装置；第三种方案方便操作，只需在小车正前方安装一个电子罗盘，通过程序算法控制小车进入停车位，又满足赛题的要求。图像采集技术小车采用OV7620摄像头传感器，OV7620是CMOS彩色/黑白图像传感器，能够满足一般图像采集系统的要求。摄像头采集的赛道图像为灰度图像，赛道背景的灰度值与黑色绝缘胶带的灰度值大小有差别，通过一个设定的阈值对灰度图像数据进行二值化处理，赛道背景化为1，两边的黑色绝缘胶带化为0。图像处理技术图像处理主要工作就是相对准确的提取出两边的黑色边界，然后用均值法求中线，由中线的数据实现小车的自动导航。图像数据经过二值化和简单的滤波处理后，每一行分成两边，从中间开始往两边查找0点，如果连续找到两个0点就说明找到边界，定位赛道的边界位置，计算出小车在赛道中的位置。控制技术小车舵机角度的控制采用开环控制。根据不同的检测路径，判断出小车所在位置，按不同的区间给出不同的伺服电机PWM控制信号，小车转过相应的角度。速度控制采用PID闭环控制。为了使得赛车能够平稳地沿着赛道运行，需要控制车速，使赛车在转弯时速度不至过快而冲出赛道。通过控制驱动电机上的平均电压可以控制车速，但是如果开环控制电机转速，会受很多因素影响，例如电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力和前轮转向角度等。这些因素会造成赛车运行不稳定。通过速度检测，对车模速度进行闭环反馈控制，即可消除上述各种因素的影响，使得车模运行得更稳定。设计思路如下：小车后轮安装的旋转编码器计算出小车实时速度，与期望小车运行的速度比较，通过PID算法得出PWM输出信号，控制后轮的驱动电机来调整小车行驶速度。救援区探测技术路线LED的探测由光敏三极管实现。在小车的前方安装四个由光敏三极管制作的探测头，当小车到达救援区即半圆圆心处时，立即让小车停止，分别检测半圆圆弧上四个待救援位置方向的LED发出的光强，其中光强相对较弱的为1Hz闪烁LED灯，即要寻找的救援车停车位置。光敏三极管的灵敏度能满足本系统的要求，当然LED的光存在散射，为了提高探了调制处理，接收管只对敏感频率附近的窗口频率的反射光进行解调，因而可以有效防止各种场地光线对反射激光的影响。编码器模块：速度检测模块是由光栅编码器和单片机的增强型定时捕捉模块组成。编码器通过齿轮与赛车后轮轴进行传动，编码器每转动一周都会输出一定个数的脉冲，将其输出端连接在单片机的增强型定时捕捉模块端口上，单片机就能捕捉到反馈脉冲，计算两次脉冲的时间间隔就能得知当前赛车行驶速度。道路检测模块设计1.1直道导航小车前方安装一个CMOS摄像头，对导航车前方一定空间进行图像采集，并用DSP芯片对采集的图像进行处理，通过边缘提取的方法提取出两条黑线，然后将两条黑线延长，确保图像的像点在两条线的角平分线上，从而保证导航车不越过边线。1.2弯道导航若只用CMOS摄像头转弯，小车会不稳定，因此我们在转弯时采用光电对管导航。如图所示，通过光电对管获得先后的减速和转弯信号，促发小车执行相应程序。而CMOS摄像头，保证过弯后小车迅速归中走直。入库方案设计先使小车停在圆心处，调整摄像头角度，利用CMOS摄像头图像处理判断出闪烁光源，并入库。视频采集系统以DSP为核心的视频处理系统中，视频采集的方法通常分为两大类：自动的视频采集和基于DSP的视频采集。前者采集模块的实现十分复杂且成本较高，后者通常由DSP控制视频解码芯片并同步各种时序，最后将视频数据读入存储器，其特点是视频采集占用DSP处理时间多，对DSP速度要求高，但实现简单且成本低。我们将采取后者“基于DSP的视频采集”方案。黑线边界识别采用CMOS摄像头对黑线边界进行检测，芯片对图像进行处理（去噪，锐化，二值化），通过边缘提取算法，提取黑线轮廓，然后计算角平分线。.循迹模块通过对本次比赛的赛道资料的了解，可看到路径识别模块是车模等正常行驶的基础。路径识别方案的好坏，直接影响到比赛能否顺利进行。目前能够用于智能汽车辆路径识别的传感器主要有光电传感器、CCD/CMOS传感器和电磁传感器。光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快，但是其前瞻距离有限；CCD摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信号处理却比较复杂；电磁传感器主要通过对赛道边线线产生的电磁场进行识别。综合考虑，以摄像头为主，红外传感器为辅进行路径检测，红外传感器的电路和软件设计简单，使用红外传感器对路径检测受光线的干扰较少，还可以获得很高的检测频率，弥补了摄像头频率不高，易受干扰的特点，在检测路径时可以获得可靠的信息，而摄像头前瞻性好，两者可以相互补充。采用CMOS数字摄像头，其功耗较低，工作电流只有10mA左右，且从CMOS输出为数字信号，有助于提高单片机处理速度。摄像头可以用OV7620,对于智能车竞赛，赛道为白底黑线，故只需采集它的灰度值，即Y组的数据就可以完美地表现赛道，而无需去管UV引脚的信号。以下是光电传感器原理：红外光电管由于感应的是红外光，常见光对它的干扰较小，是在小车、机器人等制作中广泛采用的一种方式。红外光电管检测黑线的原理为，由于黑色吸光，当红外发射管发出的光照射在上面后反射的部分就较小，接收管接收到的红外线也就较少，表现为电阻比较大，通过外接的电路就可以读出检测的状态，同理当照射在白色表面时发射的红外线就比较多，表现为接收管的电阻就比较小。选用芯片BTN7960,其为高强度电流的半桥电机驱动芯片，驱动功率大，可以满足大电流负载。用两片BTN7960可以构成全桥驱动工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。PWM的简要介绍：PWM听起来很专业其实在本文所讲的应用中很简单，专业一点的讲就是脉冲宽度调制，说白了也就是占空比可变的脉冲波形。也就是说用单片机产生一定周期的方波，而且方波中高电平的时间可以已自己调整，这就是PWM波。示波器上显示的图形如图所示。之所以在这里先将PWM的相关知识是因为在智能小车的设计中PWM是很重要的一个应用，首先舵机的控制就是给定占空比的方波来实现不同的转角的，其次后轮电机的调速也是通过不同占空比的方波来实现。舵机的控制：对舵机的控制信号时由一串周期18-20ms，其中高电平时间1-2ms的方波信号组成。当高电平时间为1ms时舵机左转60°，当高电平时间为2ms时舵机右转60°转过的其他角度与高电平的时间呈线性关系。也就是说每0.1ms的高电平变化就会影响舵机12°的转角，使用舵机时有以下注意事项：1.在舵机安装完成后无法保证舵机0°的转角刚好就是车轮指向正前方，因此0°转角也就没有任何意义，必须根据小车的安装情况设定参考点。2.在