摄像头组-工业河工机械队技术报告

本人完全了解第四届“飞思卡尔”杯大学生智能汽车邀请赛关保留、日第一章引 第二章车模机械结构调 前轮定 第三章系统硬件设 3.2头选型及相关参数说 3.2.1头简 OV6620基本结构与相关参数介 直流电 H桥驱动电路简 BTS7960电机驱 BTS7960电路 BTS7960控制方 舵 舵机简 舵机选 FIFO简 第四章设 4.1设计总思 转向控 速度控 PID算法控制简 第五章开发工具及制作调试过 第六章结 然趋势。它包括了从控制装置，到车载装置，几乎涵盖了汽车的所有系统。的迅猛发展必将满足人们逐步增长的对于安全、节能、环统在的半导体器件市场拥有领先的地位并不断赢得客户的认可和信任。81632的S2车背景智能智能车系统是一个各部分协调的控制系统系统要完成从传感器信速控制任何一个环节出现问题都会导致车模不能很好的赛道行驶甚至偏离模块及控制转向的舵机等。该智能车使用飞思卡尔半导体公司的16位微控制器比光电传感器的信息，但信息处理更加复杂。智能车控制系统以MC9S12XS128微控制器为，包括电源模块、赛道图像采集模块、车速测量模块、电机驱动模块等几部分。赛道信息采用CMOS、CCD图像传感器，图1.1为系统控制总图:1.1MC9S12XS12816S12XCPU内核，是S12XE微控制器的简化版可与S12XE产品兼容具有8KRAM，128KFLASHROM，40MHz，112LQFP、80QFP、64LQFP其包括MSCAN总线通信模块、SPI模块、2路串口通信模块、4通道周期定时中断模块、8路输出比较/输入捕捉模块、8路模块、16通道12位AD转BS90是一款针对电机驱动应用的完全集成的大电流半桥。它是NovalithICTMP上桥臂和一个N是P舵机有驱动控制电路，只需为其提供直流电压和波就可以使其动的了尽可能提高舵机反应速度，将舵机直接接到+.v（要求不可使用CDC。头实现寻线目的，而不需色彩信息。另外由于微控制器A/D口的转换速率和其RAM空间的限制，选择了320×240的CCD黑白头根据偏差和当前速度控制电机转速和舵机转动。结构框图如图1.2下1.2（1）图像信号方图像信号作为路径识别功能的基础，具有重要的地位。在主程序采用查询的方法，得到场同步信号；采用中断方法捕捉行同步信号。通过A/D口将模拟信号转换成数字量并根据行计数变量按照原图像位置将信息存储于AM像。根据检测到的黑线中心位置，可知当前车相对于赛道的位置偏差和角度偏差，度遇限削弱积分PID调节第五届飞思卡尔智能车比赛使用竞赛规定的车模套件（B。车模套件前轮后轮差速机构调重心车模所需要达到的最快车速也远没有现实中那么高，只有4m/s。所以我重心明显前移。经过反复的测试和赛区的初赛认为这种方法有一定果。离地由于B型车属于越野车类型，而飞思卡尔比赛赛道绝对平坦，只有一个平滑的。 通过研究前几届获奖车模发现大部分头安装在了车模较低的因而，的头安装在了低处靠后的位置，有不错的效果。舵机使得舵机连杆顶端动作同样距离时，舵机所转角度明显减小，有效缩短了动作主控测速传感器的采用对射式光电管和的码盘组成的测速传感器。对射式光电管模块很；在2.4。2.4主控的可靠性，并减小电路板的面积，将XS128及其辅助电路、电源模块、LED指示灯、按钮都整合到一片电路板上。3.1PCB3.1XS128的详细功能并未列出，请参照飞思卡尔公司编写的‘MC9S12XS128时钟与复位发生器（ClockandResetRTI（RealTimeInterrupt）RTI控制寄存器全2、周期中断定时器（PeriodicInterruptTimer）PIT控制寄存器PIT通道使能寄存器PIT中断使能寄存器PIT多路选择寄存器PITPIT全PIT载入寄存器（PITLD0-全3、脉宽调制器（Pulse-Width该模块主要用于产生方波，在智能车的设计中控制直流电机和舵机 全全全预分频时钟选择寄存器（（全全 全全全4、串行通口（SerialCommunicationSCI波特率寄存器（SCIBDHMSCI数据低位寄存器全5、定时计数器模块（TimerModule输入捕捉/输出比较选择寄存器全全定时系统控制寄存器定时器控制寄存器3、4（TCTL3全全定时系统控制寄存器主定时器中断标志寄存器（T全主定时器中断标志寄存器（T16位脉冲累加器控制寄存器 全后续任何的程序的编写都是在正确的配置了XS128功能寄存器的 头选型及相关参数说3.2.1头简CCD，英文全称：ag-oldvce，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CDCCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD广泛应用在数Luckyimaging。CCD在机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过机中使用的是CCD，即包括x、y取平面图像，而扫描仪中使用的是线CCD，它只x个方向，y向扫描由扫描仪的机械装置来完成。被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD上，CCD根据光的强弱积累相应CCDTTLCMOS的CCD和CMOSCCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，TTLCCD成像质量要优于CMOSCCD。两种工艺头对TL大，体积大，能耗高（往往需要2DC升压电路，需要电路控制，且无法和信号处理电路集成。但是因其成像质量较MS好的原因，高端照相机，机等对图像质量要求较高的设备往往使用TLCMOS艺图像传感器的缺点是图像质量TTL艺图像传感器差，动态性能不是很好。但CMOS的优点是像素元颗粒小，体积也小，像素阵列可以和信号处理器集成在一起，由于集成了信号处理器，所以可以设置参数，故CMOSCMOS的图像质量虽然较TTL差，但是并没有影响到智能车的控制或者说没有严重到不可克服的程度。而通过以上介绍，知道CMOS传感器相较于TTL感器有着以下的优点：CMOS5V电压即可工作，甚至有3.3VTTL12V，CMOSCOS图像传感器由于体积，所以可以将感光阵列与信号处理电路集成在一起。比如AD，时序信号分离电路等。这样最大的优点就算是COS头一般可以直接输出并行数字信号与时序信号，无需额外D转换和专门的时序分MS头还可以通过2SCB总线进行通过综合考虑最终选择了一款OmniVision公司开发的CMOS彩像传OV6620作为的主传感器。OV6620O620是miiin公司开发的MOS彩器光一内,仅需设计相应的 电路即可实现单成像系统。该由于将CMOS光感应核与 路集成在一起，具有可编程控制与模/数混合输该 效图像窗口的大小，使其只输出该范围内的图像信息，其范围从4到×22，并且窗口位置可以被放置在图像的任意位置，这对于特定范围的图像(2)+5VI2CSCCB信号输出:RGB/RawRGB/YUV/YCbCr直流2-12-1所示。导体受力的方向用左手定则确定。一对电磁180°后，导体cdNabS极下时，由于AcdabBcdabab和cd流入，使线圈边只要处于N是由电刷A流入的方向，而在SB供电范围：3~9V，标准7.2V空载时最大转速16200rpm，电流0.50A直流电机驱动H图2- 按图2-2（1）让继电器导通，电机转动；低电平（逻辑0）HH“H”的意思H的样式。图2-3就是一个用继电器连接成的H桥电路。 将左上电路（A）和右下电路（D）接通，电机就正转了（2-4。此时各个端口的逻辑值为A-1、B-0、C-0、D-1。 将逻辑值反过来，电路的方向就调转了，电机反转（2-5。此时逻辑值为A-0、B-1、C-1、D-0。 实际使用的H桥电路如图2-6所示在的晶体管必须是PNP型三极管或者PNPNN沟道型场效应管。 BTS7960电机驱动BS90是一款针对电机驱动应用的完全集成的大电流半桥。它是NovalithICTMP上桥臂和一个N是PBTS7960在较小的电路板空间占用的情况下为大电流保护的电机驱动提2-7 2516257与主动续流相结合的脉宽调制能力高达电流限制在典型的BTS7960 2-11BTS7960PCBBTS7960BTS7960根据输入的信号占空比不同，其输出电流也不同，由此可以控制电机转动的快慢。INH引脚为BTS7960片选，置为高时选通。IN为信号输入引脚。控制真值表如表2-1所示： BTS7960真值控制电机时，将两片的INH都置高，选通两。当对图2.3-9中U1的IN输入脉冲，而U2的IN脚置零时，电机正转；对U1的IN脚置零，U2的IN输入脉冲时，电机反转。舵Servo。其特点是结构紧凑、易安装调试、控制简单、大扭力、标准的舵机有三条引线，分别是电源线Vcc、地线 信号由的通道进入信号调制，获得直流偏置电压。它有一个基准20ms，1.5ms0，电机停止转动。可以使舵机运转，即舵机的摆角只与信号的高电平持续时间有关，而与的周期、占空比无关。通过单片机改变信号的高电平持续时间就可改变舵机摆舵机控制十分简单，只需配置好单片机相关寄存器，使单片机输出高电平时间不同方波即可。基板：S256，马达：Tricore消耗电流（6.0V，无负载15mA，动作时145±30mA输出扭矩（6.0V：(6.5±1.3)Kg/cm动作速度（6.0V：(0.16±0.02)Sec/60图像相关硬件选的车模经试验确定使用OV6620头传回的数字信号进行，用FIFO器加与非门的方式进行FIFO(InOut)器，是一种先进先出的数据缓存器。它没有根据FIFOFIFO分为同步FIFOFIFOFIFOFIFO是指读写时钟不一致，读写时钟是互相独立的。FIFO器的重要参数有以下几种FIFOTHEWIDTH，FIFO一次读写操作的数据位，就像MCU816位，ARM32位等等，FIFO的宽度IC中是固定的。FIFO的深度：THEDEEPTH，它指的是FIFO可以多少个N位的数据（如果宽度为N。如一个8位的FIFO，若深度为8，它可以8个8位的数据，深度为12，就可以12个8位的数据。满标志：FIFOFIFO以FIFO的写操作继续向FIFO中写数据而造成溢出。空标志：FIFOFIFO以FIFOFIFO中读出数据而造成无效数据的读出。读指针：指向下一个读出地址。读完后自动加1写指针：指向下一个要写入的地址的，写完自动加1在此方案中所选取的FIFO器为IDT公司的IDT7205L20，是一种单向异步FIFO，具有以先入先出结构为基础的指针来完成双口缓冲。芯低能量消耗，使能状态最大CMOS技术制造 IDT7205结构2-13 此方案中所需的另一为与非门，选取的是德州仪器公司的SN74AS20，因为这个电平转换时间短，从输入到输出最多只需5ns,以满足快速写入FIFO的要求。 图 IDT7205连接示意进行输入捕捉另取单片机PK0和PK1引脚分别负责复位IDT7205和控制读时序；PCLKPK2IDT7205写时序。为高时，与非门输出为低电平，FIFO的写入使能将像素信号写入FIFO。第四章设 设计总思的平面上，则这种将大大简化，最终为一个单纯坐标变换过程。化为两个二维平面间的坐标关系。通过头成像原理可知由现实水平面到头成像平面的关系是由成像的几何模型所确定的可以从头所成图像和它反映水平面的区域来这种关系，如图3-1所示。图3-1头图像与实际区域的关由图1中的图像图可以知道，头产生的畸变可以归纳为三种密近疏保证行与行之间实际物理距离相等。在图3-2中，h是头镜头高度，a、b，x，α、β、θ分别是a、b、x对应的视线仰角。 在感光板上，d，rx由以上两式可解得r与x图像方法概OV6620头单场图像包含288行，场周期20ms（我对实际使用的头进行计时，场周期最短19.9620ms，最长19.981ms；行周期63us，其中有效图像数据时间40us（与我实际计时的结果相同23us；每行352个像素点，每个像素周期112ns。图像时，不需采到所有的行和像素点，只需从中提素点就要设置一个25行64列的二维数组image[ROW_MAX][LINE_MAX（ROW_MAX与LINE_MAX都是宏定义分别代表行数和的点数在这里也就是25和64。飞思卡尔单片机PORTT引脚为8路输出比较与输入捕捉通道，对图像假如捕捉下降沿还要等待23us才是有效数这就浪费了23us的时间。40us效像素点。如果对单行均匀64个点，还有(352-64)=288个点不用去采，那么点与点之间就需要延时，这就相当于用实现了对像素点的分频。汇编程序如下（总线频率48MHz，这段程序执行时间约为37.4us：LDAB#LINE_MAXLDAA //row代表当 A A、BTFRD, //将DLDAB#LINE_MAXB，做循环减计数LP:LDAAPORTA//PORTAA，PORTA//与头8位灰度数据引脚相STAAimage, //累加器A中数据存入(image+X)为地 //image0 6417个NOP， DBNEB, B1，如B00}汇编部分的执行时间必须小于40us，因为单片机捕捉到行同步信号时，有效像素数据已经开始由头传送而进入行中断还需要堆栈及执行几条简短的语句，这都占用40us有效信号的时间，到时真正有效的图像信号已不到黑白（Object（Background2、区域平整，不存在很小的小空洞割的基本方法可以分为两大类：基于边缘检测的图像分割和基于区域的图像分然后取其中间值就是所求的阈值。一种改进的双峰法是找出最大的M个值和最小的M个值，然后求其平均值的中间值。当图像前景比较平滑时该方法比较有速度车模通过对射式光电对管和码盘得到速度信息。的码盘安装在车的后轴上，码盘上有32个等分的齿，车轮每转一圈对射式光电管产生32个脉冲，将光电管输出端直接接至微控制器具有脉冲累加功能的引脚PT7，通过设置 会影响信号。在每次奇场的开始进行脉冲数，即时间间隔为转向及速度控的实时性对小车稳定性有着很大的影响，OV6620一幅图像需要20ms，因而必须20ms完成当前场的图像处理和控制。由于控制信号从产生到实现有一定的延时，故必须利用头的前瞻性（ProportionPID控制器。PIDPIPIDProportionalIntegralDerivative)控制是最早发展起来的控制策略PIDPID TGc(s)Kp Tds -22T de(t) u(t)Kpe(t)T0e(τ)dτ i在低频段，主要是PI控制规律起作用，提高系统型别，消除或减少稳态误差；在中高频段主要是PD规律起作用，增大截止频率和相角裕度，提高响应速PIDPID开发设计电路时使用ProDXP2004进行设计。ProDXP2004是一种（ElectronicDesignAutomation,电子设计自动化）设计，主要用于电路的设计、仿真及印刷电路板（PCB）的制作。它还提供速集成电路硬件描述（VHDL（1）.ProDXP2004的组ProDXP2004是WindowsXP/NT操作平台下全32位电子设计系统，它原理图设计（SCH）：主要用于原理图设计，生成{*.schdoc}文件，为PCB的印刷电路板设计（PCB：主要用于PCB图的设计，生成（*.PCBdoc）文件将直接用于PCB的生产中。FPGA（FieldProgrammableGateArray）FPGA器件中VHDL文件。（2）.ProDXP2004的特ProDXP2004的特点很多下面作简单的介绍（Symbol（Footprint时用、SI元件模型（电路板信号分析时用）等。版本控制：设计者可以从Pro的设计管理器中直接管理第的版本控制，以使ProDXP2004更适合各个公司的工作流程和文件管理。复合式设计：ProDXP2004提供复合式设计，类似于重复阶层是电路设同步设计功能：强化了电路原理图和PB电路板之间的双向同步设计功能。示多重组件的设计：ProDXP2004支持单一设计多重组件。杜于同一个“CodeWarriorforS12”是面向HC12或S12为CPU的微控制器应用 括集成开发环境IDE、处理器 数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、器以及调试器。CodeWarrior开发工具可以使用C生成微控制器可执行的文件，然后通过BDM将文件写入DG128的FlashROM中。使用CodeWarrior和BDM可以进行的各种调试，使用非常方便。以下两幅图像CodeWarrior文件编辑界面和调试界面。串口调试为实时流程可通过SCI将单片机RAM或FLASH中的数据发送到上（ComMaster串口调试的界面如图5.2所示图 车模整体、模型车技术项参05BTS7960（2LM1117（1LM2940（2车模制作特色简介加强减震机构，降低了车体高度；传感器采用ov6620黑白头；驱动电路部分：直流电机采用BTS7960驱动、头和单片机采用两个LM2940分别供电、LM1117进行舵机控制。卓晴，黄开胜，邵贝贝．学做智能车[M]．：航天航空大学陈宋，李立国，黄开胜．智能车模底盘浅析[J]．电子产品世界