摄像头智能循迹小车

1、智能摄像头小车的设计与制作一.设计思想与总体方案1，设计思想 小车行驶过程中，通过摄像头探测前方的黑线，将采集到的信息传回单片机，通过判断黑线的形状和曲率调整舵机转角，使小车沿黑线行驶，达到循迹功能。2，总体设计方案 本设计以Freescale16位单片机、MC9SXS128作为检测和控制核心，用CCD摄像头探测黑线，飞思卡尔车体。3 摄像头选择由于对车体的控制方法都是基于对赛道黑线的准确提取与判断上的，所以对外界信息采集的唯一入口的摄像头传感器选择就显得尤为重要。本次实验所选用的摄像头为CCD摄像头相比较而言，CMOS 数字摄像头硬件电路相对简单，工作电压低，电流小，功耗小，工作稳定。但是在

2、动态图像的现实中不如 CCD 摄像头清晰，而且噪音比较大，灵敏度低。小车在高速运动情况下，不仅有小车沿赛道延伸方向的速度，还有位置校正带来的横向摆动，这样一来，黑线在曝光时间内不稳定，产生了图像不实。在这一点 CCD 摄像头有更大的优势，它噪音小，灵敏度高，信噪比大，所以我们选择CCD摄像头，以适应小车高速运动的情况。二.系统硬件结构设计本系统硬件结构主要由 HCS12 控制核心、电源管理单元、摄像头模拟信号采集电路、车速检测模块、转向伺服电机控制电路和直流驱动电机控制电路组成，其系统硬件结构如图1.1所示。图1.1 系统硬件框图1，单片机单元XS128 最小系统 我们采用了自己设计制作的最小

3、系统板，采用MC9SXS128芯片作为控制芯片。具有体积小，性能稳定的特点。主频最高可达到90M，图2.8为系统版原理图。 图 2.8 最小系统板原理图3， 测速电路设计 由于今年的车模是双电机，要对小车进行很好的控制就必须实时的监测小车的运行状态，即检测小车的运行速度。MC9SXS128系统板自带一路脉冲捕捉电路，可以测出一个电机的速度，另一个电机的速度我们采用74HC161芯片来计数测出电机的当前速度，其电路原理图如图2.11所示。 图 2.11 电机测速电路4智能车整体硬件电路设计 表2.1 车模硬件电路技术参数驱动电机速度控制4路8位的PWM输出PWM0、PWM1、PWM2、PWM3电

4、源7.2V驱动舵机转向控制1路16位PWM输出PWM45电源6V两个测速传感器速度反馈1个脉冲累加器外部引脚PT7和74HC161的CLK输入引脚电源5V摄像头图像采集PORTB口PT0、PT1、PT2口电源12V串口和电脑、SD卡数据传输SCI0、SPI控制板2个程序开始按键2个I/O端口PJ6、PJ78位拨码开关一个8个I/O端口PE0PE7复位按键1个8个I/O输出口PAD0PAD7整体电容电源系统1758uF最小系统板61uF主控板10uF三.软件设计软件部分主要包括：路径识别、方向控制、速度控制、速度测量和速度控制四个模块。这里先介绍了总程序流程，然后重点介绍了 CCD 摄像头图像信

5、息的数据采集与处理软件设计流程图。 1 整体程序介绍 图5.1为程序流程图。图 5.1 整体程序流程图四 控制算法 在经过几届比赛的总结，我们得出一个结论：在智能车这个控制系统中，控制算法用 PID 足够达到其极限速度，盲目追求较高级的控制算法是一种错误的观点。除非现有的控制算法不足以支撑现有速度下的控制策略，在本科阶段我们现在自认为不足以达到这个高度，所以我们在准确提取赛道的基础上依然采用用分段PID算法作为控制算法。 极品1号的控制方法为 PID 控制方法。它由速度闭环控制和位置闭环控制两个部分组成，以下简称速度环和位置环。速度环使用传统的PI控制算式，为了提高车模对速度的阶跃信号的快速响

6、应，采用自己设计制作的H桥。同时，算式中的比例系数Kp被设置的较大，用以改善电机的硬度。位置环负责对车模在赛道中的行进位置进行调节。使用了PD算式，并作了改进。传统的PD算式中微分项的响应时间仅为一个采样周期，可能还没有达到好的控制效果时，微分输出已经消失。车模在高速行驶过程中，需要灵活的应对各种路况，这就需要在低速状态下具有快速的转向性能。因此对微分部分进行改进是十分必要的。4.1 PID 控制算法及其改进形式的应用 4.1.1PID算法简介 PID 控制是工业过程控制中历史最悠久，生命力最强的控制方式。这主要是因为这种控制方式具有直观、实现简单和鲁棒性能好等一系列的优点。位置式PID算式连

7、续控制系统中的PID控制规律是 5.1其中x0 是偏差信号为零时的控制作用，是控制量的基准；利用外接矩形法进行数值积分，一阶后向差分进行数值微分，当选定采样周期为T时，式5.1可离散为下面的差分方程 5.2增量式PID算式。 根据式5.2得出 5.3于是 5.4式 5.3 的计算结果，反映了第 k 和第 k-1 次输出之间的增量，所以称为增量算式。这个算式的结果是可正可负的。利用增量算式控制执行机构，执行机构每次只增加一个增量，因此执行机构起了一个累加的作用。对于整个系统来说，位置和增量式两种算式并无本质区别，只是将原来全部由计算机完成的工作，分出一部分由其他元件去完成。然而，虽然增量式算式只

8、是算法上的一点改进，却带来了不少优点：算式只与最近几次采样值有关，不需要进行累加，不易引起误差累积，因此容易获得较好的控制效果。计算机只输出增量，误动作时影响小，必要时可加逻辑保护，限制或禁止故障时的输出。手动于自动切换时，由于步进电机具有保持作用，所以容易实现无扰动切换，机器故障时，也可以把信号保持在原位。由于增量算式有上述优点，在实际控制中，应用得比位置式更为广泛。式5.4还可进一步改写为 5.5其中： 5.6 5.7 5.8于是编程和计算可以得到进一步的简化。4.1.2积分饱和及其抑制 控制系统在开工、停工，或者大幅度提降给定值等情况下，系统输出会出现较大的偏差。这种较大的偏差，不可能在

9、短时间内消除，经过积分项积累后，可能会使控制量x(k)很大，甚至超过执行机构由机械或物理性能所决定的极限。当负偏差的绝对值较大时，也会出现 x(k)xmax(或 x(k)xmin)时，控制量并不能真正取得计算值，而只能取xmax或 xmin ,所以控制作用必然不及计算值理想，从而影响控制效果。下面以给定值突变为例说明： 假定设定值从0突变到 R： 首先假定执行机构不存在极限，则当有R突变量时，便产生很大的偏差e，从而使控制量很大，输出量 c 因此很快上升。然而在相当一段时间内，由于 e保持很大，因此控制量 x保持上升。只有当 e 减小到某个值后，x才不再增加，然后开始下降。当 c 等于 R 时

10、，由于控制作用 x 很大，所以输出量继续上升，使输出量出现超调，e 变负，于是使积分项减少，x 因此下降较快。当 c 下降到小于 R 时，偏差又变正，于是 x 又有所回升。之后，由于 c 趋向稳定，因此 x趋向于 x0。但是 x 是存在极限值 xmax的，因此当设定值突变时，x 只能取 xmax。在xmax的作用下，系统输出将上升，但不及在计算值 x下作用迅速，从而使 e在较长时间内保持较大的正值，于是又使积分项有较大的积累值。当输出达到设定值后，控制作用使它继续上升。之后，e 变负，ej不断减小，可是由于前面积累得太多，只有经过相当长的时间t后，才可能使xxmax而使系统回到正常的控制状态。

11、 可见，主要是由于积分项的存在，引起了 PID 运算的“饱和”，因此这种饱和称为积分饱和。积分饱和增加了系统的调整时间和超调量，称为“饱和效应”，对控制系统显然是不利的。有许多克服积分饱和的方法，这里介绍应用较多的两种方法。 (1)积分分离法。 将5.2式改写为 5.9其中A为门限电压式 5.9 称为积分分离 PID 算式。其控制思想是，当偏差大于某个规定的门限值时，删去积分作用，从而使ej不至于过大。只有当较小时，才引入积分作用，以消除静差。引入积分分离后，控制量不易进入饱和区，即使进入了也能较快退出，所以系统的输出特性比单纯 PID 控制得到改善。门限值的选取，对克服积分饱和有重要影响，门

12、限值可通过试验确定。 (2)遇限削弱积分法。 遇限削弱积分法的思想是，当控制量进入饱和区后，只执行削弱积分项的累加，而不进行增大积分项的累加。为此计算x(k)时，先判断x(k-1)是否超过xmax或 xmin，若已超过 xmax，值累计负偏差；若小于 xmin，只累计正偏差。这种方法也可避免控制量长时间停留在饱和区。和位置算式相比，增量式算法没有累加和式，因此不会由于积分项引起饱和。但是在增量算式中，当给定值突变时，比例微分项的计算值也可能引起控制量超过极限值的情况，从而减慢系统的动态过程。 4.1.3 PID算法的其他改进形式 对于干扰除了采用抗干扰措施，进行硬件软件滤波外，还可以通过对 P

13、ID算法进行改进，进一步克服干扰的影响。在 PID 算式中，差分项(特别是二阶差分项)对数据误差和干扰特别敏感，因此在数值 PID 控制中，干扰主要是通过微分项起影响的。但是由于微分作用的重要性，不能因噎废食，去掉微分项。通常是用四点中心差分法，或采用不完全微分的PID算式，对微分项进行改进，降低其对干扰的敏感程度。 四点中心差分法 在四点中心差分法中，一方面将 Td/T 取得略小于理想情况；另一方面，在组成差分时，不是直接引用现实偏差 ek，而是用过去四个时刻的偏差的平均值作基准。 5.10 在通过加权平均和构成近似微分项 5.11将式5.11代替式5.2中的微分项，就得到修正后的PID算法

14、 5.12 其中： PID 增量算式的改进形式，可用和式 5.12 相应的式子代替式 5.4 中的差分项及二阶差分项而得 5.13不完全微分的PID算式 不完全算法的思想是依照模拟调节器的实际微分调节器，以克服完全微分的缺点。不完全微分的PID算法的传递函数 5.14其中Kd称为微分增益 不完全微分的PID位置算式为 5.15其中x0 是偏差为0时的控制作用。不完全微分的PID增量算式为 5.16将完全PID算式和不完全微分型PID算式的控制作用比较，在e(t)发生阶跃变化时，完全微分作用自在扰动发生的一个周期内起作用；而不完全微分作用按指数规律逐渐衰减到零，可以延续几个周期。延续时间的长短与 Kd 的选取有关，Kd大，延续时间短；Kd小，延续时间长。Kd一般取1030。从改善系统动态性能的角度看，不完全微分的 PID 算式较好。因此在控制质量要求较高的场合，常采用不完微分的 PID 算法。当然，完全微分型算式比较简单，系数设置方便，计算过程占用的内存也少，不完全微分算式则相反。 4.1.4针对智能车的PID算法改进 极品1号的控制算法中，速度环和位置环都采用的 PID 控制方法。速度环使用的是基本的 PI 算式，在积分项处理上，积分项智能在积分限内变化。整个控制算式的比例系数Kp