基于摄像头的智能车控制系统的设计-

1、103科技资讯科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION 2009NO.26SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION工业技术“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛已举办多届,此项赛事专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科,旨在加强大学生的创新意识、团队合作精神和培养学生的创新能力。根据大赛组委会要求,赛道由白色底板和黑色引导线组成,可以通过光电传感器和摄像头两种方案对黑线进行寻迹,在这两种方案中,采用的控制器都是由组委会指定的。本文讨论的是基于摄像头方案的智能车控制系统,系统具有电路简单、重量轻和前瞻远

2、等特点,保障了小车在高速运动中的稳定性和急转弯时不冲出赛道。1系统硬件设计1.1系统硬件总体框架系统硬件总体框架如图1所示,以摩托罗拉公司的16位单片机MC9S12XS128MA A为控制核心,外围扩展5V/6V电源电路、直流电机驱动电路以及拨码开关输入和LE D显示等电路。其中,电源电路中的5V给单片机和数字摄像头OV6620供电,6V给舵机S3010供电,采用6V供电可以提高舵机的反应速度。1.2电源电路电源电路产生5V和6V两路直流电压。其中,5V 由电池电压通过低压差稳压器LM2940稳压到5V输出;6V由LM1117-ADJ 产生。具体的电源电路如图2所示。1.3图像采集电路赛道黑色

3、引导线的采集由数字摄像头OV6620来实现,该摄像头采用5V供电,与系统主控芯片供电电压相同,省略了一般模拟摄像头需要的12V供电电路。OV6620直接输出8位亮度信号,无需A/D转换,同时输出场同步、行同步等信号,可直接与单片机的I/O和中断输入引脚相连。实际使用时,亮度信号Y7Y0连接到PB7PB0;场同步信号连接到PH7;行同步信号连接到PH6。在软件设计时,场同步信号采用软件查询,行同步信号产生中断,在中断服务程序中,读取亮度信号,即赛道信息。1.4直流电机驱动电路直流电机驱动电路采用组委会推荐的专用电机驱动芯片MC33886,驱动电路如图3所示。其中,V1+接电池正极;VCC接系统+

4、5V;OUT1和OUT2接直流电机;PWM0和PWM1控制MC33886输出不同的直流电压。为了增强电机的驱动能力,采用两片MC33886相并联,另外一片MC33886的连接与图3完全相同。两片MC33886的IN1和IN2脚由同一PWM0和PWM1分别控制,通过控制PWM的占空比和极性,可以实现对直流电机的转速和方向进行控制,从而实现小车在跑道上的加速、减速和反向制动。1.5测速电路为了提高速度检测的精度和准度,本系统采用了欧姆龙E6A2系列光电编码器作为测速模块,该编码器每转一圈输出200个脉冲信号,完全满足高精度测速的要求。将编码器的脉冲输出连接到MC9S12XS128MAA的PT7脉冲

5、捕获引脚,采用16位脉冲累加器对其进行计数,从而确定小车的运行速度。1.6人机接口电路人机接口由拨码开关和LED数码管显示两部分组成。LED数码管主要用于小车调试时,显示一些系统运行的参数,它由单片机的I/O口直接驱动,为了降低系统功耗,在单片机的I/O口与数码管的位段之间串入了限流电阻。拨码开关用于设置一些重要的参数,如小车的直道速度、弯道速度等,拨码开关非常必要,在实际比赛时,往往需要根据试跑结果,通过拨码开关对相关参数进行重新设置,大大提高了系统的灵活性。2系统软件设计2.1黑线位置识别算法小车前方的跑道信息由数字摄像头OV6620采集,如何根据采集到的大量数据确定黑线位置,这就涉及到路

6、径识别问题。由于今年跑道的底板颜色不一定是白色的,有可能是蓝色、黄色的或是黑色的,因此路径识别算法非常重要,否则有可能将跑道底板认为是黑色引导线。根据采集到的某行数据,以确定其黑线位置为例,本系统采用的黑线位置识别算法大致过程为:从采集到的某行数据的中心位置开始,首先判断该中心点是否为黑点,如果是,则从该中心点先向右依次搜索白点,若搜到,记下最后一个黑点位置,假设为black_r;若搜索不到白点,该行数据作废,算法结束。若搜索到白点,则再从该中心点向左依次搜索白点,同样若搜索到白点,记下最后一个黑点位置,假设为black_l;若搜索不到白点,该行数据作废,算法结束。在该行数据有效的情况下,其黑

7、线中心位置为(black_r +black_l/2。第二种情况,中心点为白点。从该中心点往右开始,搜索白到黑和黑到白边缘,若出现这两种边缘则记下两端黑点位置,假设分别为black_l和black_r,算法结束。若只出现白到黑或是全白,则从该中心点向左开始搜索白到黑和黑到白边缘,若出现记下两端黑点位置,若不出现,则该行数据无效,算法结束。在该行数据有效的情况下,其黑线中心位置也为(black_r+black_l/2。2.2转向与速度控制算法依据黑线位置识别算法可以得到所有行与中心点的偏差,然后通过最小二乘法,基于摄像头的智能车控制系统的设计王文杰凌六一(安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南23

8、2001摘要:介绍了一种采用数字摄像头识别路径的智能车控制系统。系统以单片机MC9S12XS128为控制核心,给出了电机驱动、速度检测和电源等电路的硬件设计以及路径识别算法。实验结果表明,路径识别算法可行,该系统工作稳定、可靠。关键词:智能车路径识别摄像头中图分类号:TP273文献标识码:A 文章 编号 :1672-3791(200909(b-0103-02 图 1 系统硬件总体框架图2系统电源电路104科技资讯 科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2009NO.26SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION工业技术完全可满足级导线

9、点(5”以下的规范精度要求。尽管GPSRTK测量的标称精度及实测精度完全满足级导线点5”点以下的规范精度要求,但目前的规范对利用GPSRTK 测量进行级导线甚至更高的精度的控制测量,其采集数据的方法,数量等等还没有明确的规定,因此还需要用大量的实践来证实。实际测量中还必须采取足够的检核手段,确保测量的准确性。4建议(1RTK测量与静态GPS测量相同,首先得到的是WGS84坐标,必须通过一定的坐标转换关系才能得到用户坐标系坐标,转换参数的求取精度对测量成果有很大影响,因此在实际应用中首先应注意起算点精度,特别应注意采用一定的方法检核起算点的相对精度;同时,转换参数有一定的区域性,它仅适用于起算点

10、所圈定的一定区域,外推精度随距离增加降低明显,因此在实际工作中应尽量选择能覆盖整个测区且分布均匀的起算点。(2若已知起算点为静态GPS控制网成果,可利用已有WGS84坐标及用户坐标建立坐标转换关系,这样可节省采集起算点WGS84坐标的时间、提高工作效率;但在利用原有成果时应注意所采用的WGS84坐标应是在同一网平差中得到的,因为它是由单点定位的WGS84坐标推算得到的,只代表某个特定的坐标对应关系。(3基准站应选择位置较高的点位,这样可明显扩大流动站作业范围,但根据笔者对多个工程成果的统计分析,基准站与流动站间的距离对测量成果有一定的影响,当流动站与基准站间的距离达到5km6km时,两次测得的

11、坐标差值及相邻点间距离与全站仪边长测量的成果差值超过5cm的明显增多;笔者建议在采用RTK技术进行控制测量时,为保证成果的精度及可靠性,流动站的作业半径应控制在5km以内;(4根据上述第一、第三点,在采用RTK方式进行较大区域控制测量时可将测区划分成若干个工作区;各工作区的划分应有一定的交叉,观测时应进行相互检核;也可以采用两次工作区划分不同的方式进行观测。(5在城市控制测量中,点位一般可埋设在建成的城市道路,选点时应充分考虑使用的方便及安全,但同时应尽量避开高压线、高大建筑、电台发射塔等;因此RTK方式不适合应用于建筑密集的老城区,而在新建开发区一般均能取得较好的效果,本文列举的两个工程实例

12、均是在这样的测区完成的;另外,基准站更应避开高压线、微波站、变电所等。(6RTK测量存在明显的时间段影响,一般上午11点前、及下午3点之后测得的数据精度较好,在上述工程实例观测时,笔者曾尝试在中午12点进行观测,但很难达到解算状态,即使得到了坐标成果,其可靠性往往也较低;建议不要在中午12点至14点间进行RTK测量。5结语利用RTK技术进行城市控制测量操作灵活、简单,同时减少了大量的观测数据后处理工作,大大提高了工作效率,彻底改变了城市控制测量的作业模式;但在实际工作中应充分认识这一技术的特点及其与传统测量模式的区别,设法提高测量成果的可靠性。参考文献1城市测量规范CJJ899.中国建筑工业出

13、版社.2全球定位系统城市测量技术规程.CJJ7397.中国建筑工业出版社.(上接102页拟合直线,得到直线的斜率,根据此斜率控制舵机的转向。在算法上,采用PD,并结合单独一行的偏差与斜率共同控制舵机转向,具体选择哪行参与转向控制,本系统采用高速看远低速看近的原则来选择,具体实现时,要结合小车的运行速度去确定。在速度控制上,本系统也采用传统的PD算法,将速度偏差作为算法输入,PWM 占空比作为算法输出,从而达到给定运行速度的控制目的。系统主程序流程如图4所示。首先对系统进行初始化操作,主要包括系统时钟设置、速度设置、PWM初始化等;接下来延时2秒然后系统正式起动,接下来进行图像采集、寻找黑线位置并根据偏差进行舵机转向控制和速度控制。当小车跑完指定圈数后,应自动刹车。根据大赛组委会要求,不能自动停车的,最终成绩加1秒。3结语在系统设计完成后,以第三届华东赛区的实际跑道为参考,经过多次的调试运行,智能车系统运行状态良好,平均速度达到2m/s。然而,系统也存在诸多不足,如起始线识别不准确,存在漏检、误检;