基于cmos传感器的智能小车设计.pdf

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1、第30卷第1期 2009年 2月 河南科技大学学报：自然科学版 Journal of Henan University of Science and Technology：Natural Science V0130 No1 Feb 2009 文章编号：16726871(2009)01001804 基于CMOS传感器的智能小车设计 张红涛，赵书尚，韩建海 (河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003) 摘要：介绍了一种基于Freescale公司的16位HCSl2单片机的一种智能车控制系统，它采用黑白CMOS摄像 头作为路径识别装置，通过图像识别提取路径信息。利用单片机产生PWM波，控制小车速

2、度和转向，利用自 制的速度传感器来获取小车当前速度，实现速度的闭环控制，增加小车的稳定性，较之常规的光电传感器识别 路径方案，利用摄像头传感器可以获取更多的路径信息。测试结果表明，智能车能按任意给定的黑色引导线 更能以较快的速度平稳地运行。 关键词：智能车；寻迹；脉冲宽度调制；HCSl2单片机 中图分类号：TPl8 文献标识码：A 0 前言 智能车系统是以迅猛发展的汽车电子为背景，它是一种集环境感知、规划决策、自动行驶等于一 体的综合系统，集中的运用到自动控制、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旧o。通常智能车系统要

3、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。 目前在国内主要采用红外光电传感器进行路径识别1，该方法的主要缺点是检测前瞻距离短，检测精 度低并且耗电量比较大，利用摄像头检测则具有检测距离大，检测范围宽，检测道路参数多等优点，是今 后智能车系统发展的方向”。本文基于低功耗CMOS摄像头设计了一种智能车，采用非线性P算法控 制舵机转向，通过PID算法控制直流电机。 1 总体方案 该系统主要由HCSl2控制核心模块、电源模 块、直流电机驱动模块、图像采集模块、舵机驱动模 块、速度采集模块和调试接口模块组成，其结构框 图如图1所示。 路径

4、识别功能由面阵CMOS摄像头实现，将 HCSl2单片机的总线时钟提高到32 MHz，它就可 圈1 智能车控制系统框图 以采集并处理40 X27像素的图像信号。舵机控制采用非线性P算法进行调节，而车速控制采用PID控 制算法，软件设计中实时采集路况信息和速度信息，实现整个系统的闭环控制。 2系统硬件设计 系统的硬件主要包括HCSl2单片机主控电路、电源管理电路、CMOS路径识别电路、直流电机驱动 电路、测速电路等几部分组成。 21 HCSl2主控电路 系统的核心控制器采用飞思卡尔半导体公司的HCSl2系列单片机MC9S12DGl28B，其主要特点是 基金项目：河南省教育厅自然科学基金项目(200

5、731003) 作者简介：张红涛(1981一)，男，河南开封人硕士生；赵书尚(1969一)，男，山东青岛人，副教授，研究方向为嵌入式测控系统设计、 机器人技术和机电控制技术 收稿日期：20080908 万方数据 第1期 张红涛等：基于CMOS传感器的智能小车设计 19 高度的功能集成，易于扩展，具有低电压检测复位功能、看门狗计数器、且自带PWM输出功能，两个8 路10位精度AD转换器，增强型捕捉定时器，将单片机设置成特殊单片模式即BDM调试模式，可以直 接在线调试。系统IO口具体分配如下：PORTAOPORTA4用于设置不同的行进速度，AN0采集图像 信号，PT0为行中断口，P11为场中断口，

6、m接行场同步信号输出口，PT3进行速度检测，PWM01用于 舵机控制，PJ6，PJ7，PWM2，PWM3用于驱动电机的控制信号输出。 2。2电源管理电路 整个系统包含+5 V，+6 V，+72 V，+12 V 4个电 压环境。其中，+5 V给单片机系统、测速模块、调试模块 供电，+6 V给舵机供电，+7。2 V直接由电池引出给驱 动电机供电，+12 V给摄像头供电。系统用低压差稳压 芯片LM2940，可调稳压芯片LMlll7一ADJ，及DCDC 升压芯片MAX632，分别获得所需的三种电压，电源模块 的框图如图2所示。 23 CMOS路径识别电路 图2电源模块框图 摄像头的主要工作原理是：按一

7、定的分辨率，以隔行扫描的方式采样图像上的点，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转换成与灰度成一一对应关系的电压值，然后将此电压值通 过视频信号端输出，具体参见图3。当摄像头扫描完一行，视频信号端就输出有一个电压“凹槽”，并 保持一段时间，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫 描换行的标志。然后，跳过一行后，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。在这若干个消隐脉冲中， 有个脉冲远宽于其他的消隐脉冲，该消隐脉冲即称 为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。摄像头每秒 扫描25幅图像，每幅又分奇、偶2场，先奇场后偶 场。故每秒扫描50场图像即扫

8、描周期为20 ms。 圈3摄像头视频信号 要能进行图像采集识别路径，首先要处理好的技术问题就是能有效地从摄像头信号中提取出行同 步脉冲、消隐脉冲及场同步脉冲。有2种可供参考的方法：第一，直接用AD进行软件提取，结合CMOS 摄像头信号的特点，通过判断采样得到的电压值处在不同的范围来提取；第二，给单片机配以合适的外 围芯片进行硬件提取。考虑到硬件提取简单易行，可靠性高，故本系统选用LMl881视频同步信号分离 芯片进行提取，其硬件电路图设计见图4。先将摄像头输出信号通过RC滤波，以消除毛刺、杂波的影 响，然后整形接入LMl881的二脚，即得控制单片机对图像采集的信号：行同步和场同步信号。 豳4摄

9、像头采样电路 万方数据 20 河南科技大学学报：自然科学版 2009年 LMl881的行同步信号端(引脚1)接人S12的一个带中断能力的IO口PT0，之所以选用带中断能 力的IO口是因为，行同步信号持续时间较短，为了不漏检到行同步信号，若使用普通IO口，则只能使 用等待查询的方式检测到行同步信号，这会浪费不少s12的CPU资源61。LMl881的奇一偶场同步信 号输出端接S12的普通I0口即可。在此，本系统选择奇一偶场同步信号来作为换场的信号，而不是选 用LMl88l引脚3输出的场同步信号。这样做的好处是，当摄像头信号处于奇场或偶场时，则奇一偶场 信号整场都相应地处于高电平或低电平，只要用个普

10、通的I0口，若检测到该信号发生变化，就可以知 道摄像头信号换场了。因为每场信号持续的时间相对较长，所以也不用担心漏检到换场的发生。若使 用场同步信号，则需要用中断的方式来判断换场的发生，相对比较麻烦。 24直流电机驱动模块 采用RS一380SH型直流电机，通过直流驱动电机控制单元，控制驱动电机两端电压可以使智能车 加速运行，也可以对智能车进行制动。驱动芯片采用的是飞思卡尔半导体公司的半桥式驱动芯片 MC33886。在实际的运用中，将两片MC33886 pin to pin并联使用，一方面减小了导通电阻，提高了电机 的驱动能力，反应更为灵敏1；另一方面大大减轻了芯片的发热情况，消弱了芯片内部的过

11、流保护电路 对电机启动及制动的影响。 通过改变PWM2、PWM3的占空 比来控制电机的转速，而通过改变 PJ6的高低电平来决定小车是否刹 车1。其原理图如图5所示。 25 测速电路 由于在小车实际的行驶过程中 速度较快，脉冲累加器的测量精度不 够，而选用专业的轴角编码器成本又 太高。因而，引入了虚拟编码器的设 计思路，同时又结合该单片机的输入 捕捉功能模块来实现。 在后轮的转轴上贴一片黑白相 ill 33剖i 0四V+ V 剖 矾l V Z甄讴|、tN 正N2 0UTl 6011TI L熙，、踊手 D口屹OUTl 2 IDl OLrl2 Y4- 15 0【，l：2=窝聊1： 1)2 OUT2

12、。 10K dI l FS PI二ND 9 n四忉 10 liI墨_一 AGND PGND T广 12DNC PGND MC33886 圈5电机驱动模块电路 间的纸码盘，根据红外传感器对黑白两种材料的反射率不同，随着直流电机的转动，红外传感器的输出 脉冲是一个随电机转速变化的脉冲序列，经波形整定芯片74LSl4进行处理，可得到”L电平的波形， 配合单片机的输入捕捉功能，对时钟脉冲序列进行捕捉计数，从而完成速度检测功能。 3控制策略 31 基本算法说明 事实上，小车无需严格沿着黑线走，所以去掉容易产生积分饱和的积分环节，同时摄像头有足够的 前瞻，也去掉微分环节一J。为了使小车的整个过程跑得比较顺

13、畅，就要求在小偏差时缓慢调节，甚至不 调节，在遇到弯道产生大偏差时，舵机能够迅速动作，这就要求偏差量比例系数P是一个变量，即一个 非线性的过程。 对于驱动电机，一方面要求速度必须快速反应，而另一方面，电机转速变化越快电流就越大，频繁的 大幅度加速、刹车不但可能使驱动芯片热保护，甚至导致电机的烧毁，所以，选用PID算法调节，系统的 软件流程图如图6所示。 32 目标指引线提取 通过图像采样模块，就可以获得4027的图像数组数据，我们就可以分析此二维数组来提取黑线， 由于路面是在白色地板上铺设黑色引导线，因此干扰比较小，黑线提取较为容易，因此可以使用图像处 理算法中较为简单的边界提取算法。由于黑色

14、引导线和白色底板之间的色差较大，直接反映在图像数 据中就是大于一个黑白色阈值01，通过实验可以基本确定该阈值的大小，但是受现场的光线变化影响 万方数据 第1期 张红涛等：基于CMOS传感器的智能小车设计 21 会有略微变化。该阈值基本上介于2230之间，因此可以通过判断 相邻数据点的差是否大于该阈值，作为边沿提取算法的依据和主要参 数。 该算法的主要过程如下： (1)从最左端的第一个有效数据点开始依次向右进行阈值判断， 由于实际中黑白场地边沿可能可能会有模糊偏差，导致阈值并不是简 单的介于相邻的两个点之间，很可能相隔两个点； (2)设line为原点，判断和line+3的差是否大于阈值，如果是，

15、就 将line+3记为i，从i开始判断在接下来的从i+3到该行最末一个点 之间的差值是否大于阈值。如果大于阚值，则将line+i2+2的坐标 赋值给黑线中心位置。 利用该算法所得到的黑线提取效果不仅可靠，而且实时性好，具 体黑线提取效果如图7所示，其中白色垂线为实时黑线中心位置示 意。 4 结论 本文基于传感器和单片机原理，利用低功耗 7D CMOS摄像头，以MC9S12DGl28B单片机为主控芯 m 片，小型舵机和直流电机为驱动元件，通过软件编 ， 程，制作了一套价格低廉，结构模块化的智能小车。 嚣 经过对小车进行转向角度和车速控制试验，证明小 撬” 车能平稳的按照任意给定的黑色引导线行驶，

16、循迹 攀挪 效果良好，速度控制响应快，动态性能良好，稳态误 肇20 差较小，系统的稳定性和抗干扰能力强。 lo 智能小车是综合多门学科的前沿课题，有着非 n 常广泛的应用前景，但要达到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、控制等诸多技术的进一步提高密切相关， 需要坚持不懈的探索和研究。 图6程序流程图 H =-一一 I_Hr“ f 0 I I 14 墙 笠 笛 30 34 船 铊 46 卯 图像采样点坐标 圈7单行黑线提取效果 参考文献： 1 李春雷，孙俊，任冰基于DM642图像边缘检测算法研究与实现J河南科技大学学报：自然科学版，2007，28 (6)：

17、4750 2 李兵，何克忠自主轮式机器人THMRV的混和模糊逻辑控制J机器人，2003，25(6)：539543 3 万永伦，丁杰雄一种机器人寻线控制系统J电子科技大学学报，2003，32(1)：4750 4 王荣本，游峰，崔高键基于计算机视觉高速智能车辆的道路识别J计算机工程与应用，2004，40(26)：18 21 5 葛亚明，刘涛，王宗义视频同步分离芯片LMl881及其应用J应用科技，2004，31(9)：2022 6 邵贝贝单片机嵌入式应用的在线开发方法M北京：清华大学出版社，2004 7 郭季，严卫生一种自主水下机器人航路规划算法研究J河南科技大学学报：自然科学版，2007，28(3

18、)：39 42 8 刘歌群，卢京潮同建国用单片机产生7路舵机控制PWM波的方法J】机械与电子，2004(2)：7678 9 温阳东，程柏林，刘艳丽智能小车路径跟踪的研究与实现J仪器仪表用户，2008，15(1)：1314 10卓晴，王琏，王磊基于面阵CCD的赛道参数检测方法J电子产品世界，2006(04)：141143 万方数据 基于CMOS传感器的智能小车设计 作者： 张红涛， 赵书尚， 韩建海， ZHANG Hong-Tao， ZHAO Shu-Shang， HAN Jian-Hai 作者单位： 河南科技大学,机电工程学院,河南,洛阳,471003 刊名： 河南科技大学学报(自然科学版)

19、英文刊名： JOURNAL OF HENAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE) 年，卷(期)： 2009，30(1) 引用次数： 0次 参考文献(10条) 1.李春雷.孙俊.任冰 基于DM642的图像边缘检测算法研究与实现期刊论文-河南科技大学学报（自然科学版） 2007(6) 2.李兵.何克忠.张朋飞.陈桂生 自主轮式机器人THMR-V的混合模糊逻辑控制期刊论文-机器人 2003(6) 3.万永伦.丁杰雄 一种机器人寻线控制系统期刊论文-电子科技大学学报 2003(1) 4.王荣本.游峰.崔高健.郭烈 基于计算机视觉高速智

20、能车辆的道路识别期刊论文-计算机工程与应用 2004(26) 5.葛亚明.刘涛.王宗义 视频同步分离芯片LM1881及其应用期刊论文-应用科技 2004(9) 6.邵贝贝 单片机嵌入式应用的在线开发方法 2004 7.郭季.严卫生 一种自主水下机器人航路规划算法研究期刊论文-河南科技大学学报（自然科学版） 2007(3) 8.刘歌群.卢京潮.闫建国.薛尧舜 用单片机产生7路舵机控制PWM波的方法期刊论文-机械与电子 2004(2) 9.温阳东.程柏林.刘艳丽.贾贤龙 智能小车路径跟踪的研究与实现期刊论文-仪器仪表用户 2008(1) 10.卓晴.王琎.王磊 基于面阵CCD的赛道参数检测方法期刊

21、论文-电子产品世界 2006(7) 相似文献(10条) 1.期刊论文 蔡公华.洪乃刚.Cai Gonghua.Hong Naigang 一种智能车寻迹算法的研究 -电子科技2009,22(6) 智能车自动寻迹技术,是体现其智能水平的一个重要标志.在利用光电传感器寻迹技术中,光电传感器的排布及其算法尤为重要.文中设计了一种传感 器阵列“伞“型布局方式,并提出了相应的PID控制算法.试验证明,用此算法即使在路面导引线复杂的情况下,也能很好的保证智能车沿正确的方向前进,同 时保证了运行时的平稳性. 2.期刊论文 郑建立.黄丽佳.葛鹏飞.柳翔飞.ZHENG Jian-li.HUANG Li-jia.G

22、E Peng-fei.LIU Xiang-fei 基于 CCD的智能车寻迹方法 -东华大学学报(自然科学版)2008,34(6) 介绍自主式寻迹智能车的设计,探讨采用电荷耦合器件(CCD)作为路径采集模块实现自主寻迹的软硬件设计方法.系统以Texas Instrument公司的 TMS320LF2407A为主控制器,实现了对CCD输出的黑白视频信号的实时采集处理,通过边沿提取算法获得路径信息,时舵机和驱动电机采用P控制算法,使得智 能车行驶快速流畅.研究表明此设计方案可在黑白(或色差较大)赛道上获得良好的自主寻迹效果. 3.期刊论文 葛鹏飞.郑建立.柳翔飞.Ge Pengfei.Zheng J

23、ianli.Liu Xiangfei 基于光电传感器的智能车寻迹方法 研究 -国外电子测量技术2007,26(8) 本文介绍了自主式寻迹智能车的设计,研究了采用红外反射式光电传感器作为路径采集模块实现自动寻迹的软硬件设计方法.系统以FUJITSU公司的 MB89F202为主控制器,利用光电传感器阵列采集离散的路径信息,对舵机和驱动电机分别采用了PID控制算法和间接的PID控制算法,从而避免了智能车转向 及车速调节的阶跃式变化,消除了超调及振荡现象,达到了近似连续的控制效果.研究表明,此设计方案可在黑白(或色差较大)赛道上获得良好的自主寻迹 效果. 4.期刊论文 尹洁.徐耀良.盛海明.查章其 基

24、于飞思卡尔的自主寻迹智能车的设计 -机电一体化2008,14(12) 以“飞思卡尔“智能车为背景,介绍了作者所在车队的小车设计思想,从电路模块、机械模块、软件模块3个方面阐述了设计关键点.该小车在全国大赛 中获得过一等奖的好成绩,其设计对智能车设计有借鉴意义. 5.会议论文 李胜.陈至坤.劳纯杰 智能自主寻迹小车的设计与实现 2008 本文以“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车比赛为背景,设计制作一个能够自动识别黑色引导线并沿其行驶的智能小车,智能小车需要遵守比赛的一 系列规则,不脱离跑道跑完全程,用时最短的队伍即为获胜者.智能小车以“飞思卡尔”16位微控制MC9S12DG128B为控制核心,采用

25、红外反射式传感器方式 来检测路面信息和小车速度.同时,采用PWM技术控制舵机的转向和电机转速.系统还扩展了数码管显示电路,以便于智能小车的相关参数调整和调试.结合 Bang-Bang速度闭环控制等算法,控制小车沿着预设的轨道黑线及时调整车身姿态,准确、快速地运行.还分别从硬件和软件两大方面详细介绍智能小车的 制作完成过程. 6.期刊论文 王超艺.王宜怀.WANG Chaoyi.WANG Yihuai 基于红外传感器的自寻迹小车控制系统的设计 -电子工程 师2008,34(11) 介绍了基于红外传感器的自寻迹小车的设计和实现.自寻迹指小车可自主沿黑色引导线前进,并实现对舵机和电机的自动控制.由于

26、不同的颜色具有不 同反射强度,通过合理安排红外传感器的数量和空间位置,智能车可以感知道路状况的变化.系统控制核心采用HCS12DG128单片机,使用驱动芯片MC33886驱 动直流电机.该技术可以应用于无人驾驶机动车,无人工厂、仓库、服务机器人等领域. 7.期刊论文 柴旺兴.赵文兵.Chai Wangxing.Zhao Wenbin 基于红外传感器的智能车自动控制器设计 -湖北汽车工 业学院学报2009,23(1) 介绍一种基于红外光电传感器的智能车自动控制器设计方案.以飞思卡尔16位单片机为核心控制单元,使用红外光电传感器采集路径信息,控制智能车 的舵机、驱动电机,实现智能车的自主寻迹行驶.

27、 8.期刊论文 杨明.程磊.黄卫华.吴斌华.YANG Ming.CHENG Lei.HUANG Wei-hua.WU Bin-hua 基于光电管寻迹的智能 车舵机控制 -光电技术应用2007,22(1) 分别从智能车舵机的硬件和软件控制角度,提出了2种基于红外光电管寻迹的智能车舵机控制的方法:硬件闭环法和软件开环法.采用硬件闭环或软件 开环法控制转臂加长的舵机,有效解决了舵机响应滞后的问题,提高了智能车系统的路径识别能力和抗干扰能力. 9.期刊论文 毕巍巍.张雪峰.柴锐.BI Weiwei.ZHANG Xuefeng.CHAI Rui 基于视觉的智能寻迹车设计与实现 -现代 电子技术2009,

28、32(1) 智能汽车在智能运输系统中扮演着十分重要的角色,智能寻迹车是利用视觉来控制运动方向的机电的智能装置,针对在有导航线的环境下自主寻迹问 题,设计并实现了一种基于AVR单片机的智能寻迹车模.基于视觉的智能寻迹车模能够在线型复杂,转弯半径不确定性大的情况下,利用视觉自主寻迹前进 ,分级精确转向. 10.会议论文 王明顺.沈谋全 寻迹竞速机器人的设计与实现 2007 针对第一届全国大学生智能车邀请赛的特定需求,设计出了一个寻迹竞速机器人.通过优选系统电源、采用虚拟编码器测速、单目视觉图像传感器用 于路径识别及实时的N-1数据压缩存储与处理和便于优化控制的切换控制策略等方法,使我们的寻迹竞速机器人在有全国高等学校112支代表队参加的第一 届全国大学生智能车邀请赛中取得了决赛第十名的好成绩. 本文链接：http:/ 下载时间：2010年1月3日