技术方案哈尔滨工程大学极品飞车1号副本课件

基于CCD传感器循迹智能车的硬件及图像处理设计哈尔滨工程大学极品飞车1号参赛队员：喻聪，胡佳兴，魏震宇指导教师：张爱筠，管凤旭基于CCD传感器循迹智能车的哈尔滨工程大学极品飞车1号参赛引言

摄像头组主要通过摄像头传感器获得图像信息。机械结构是智能车的基础，一个稳定，高效的电源系统是智能车稳定运行的保障。在图像采集上，我们采用硬件二值化方案，实现了高效，准确的采集数据。对采集到的数据我们通过图像校正来对畸变的图像进行还原。在机械结构设计上通过对摄像头固定结构进行优化，以保证智能车的稳定运行。

本文将分别从机械结构，硬件电路设计，图像采集方案，图像处理及传感器应用这5个方向进行介绍。图1.1极品飞车1号实物图2引言摄像头组主要通过摄像头传感器获得图像信息。机械结方形碳杆固定摄像头图像校正硬件二值化电源电路设计技术方案整体概览3方形碳杆固定摄像头图像校正硬件二值化电源电路设计技术方案整体与A/D相比硬件二值化

的优点：1.速度更快；2.电路简单，稳定，易于实现；3.可以通过电位器灵活调节阈值，具有一定的环境适应能力；4.相比于AD采集数据量大大减小5.通过在二值化电路中设置滞回区间，能够有效滤除图像中的噪点，提高图像质量图1.1通过AD转换获取的图像图1.2通过硬件二值化获取的图像1.1硬件二值化介绍及其优势1.硬件二值化方案的设计及实现4与A/D相比硬件二值化的优点：图1.1通过AD转换获取的1.2硬件二值化方案的设计方案一：滞回电压比较型二值化电路图1.3滞回电压比较型二值化电路设计方案图1.4.14倍放大之后信号图像（1为原始信号，2为放大后信号）图1.4.2经比较器处理后信号图像（1为原始信号，2为二值化信号）51.2硬件二值化方案的设计方案一：滞回电压比较型二值化电路图6方案一：滞回电压比较型二值化电路6方案一：滞回电压比较型二值化电路方案一：滞回电压比较型二值化电路图1.5滞回比较二值化电路原理图7图1.6在较为复杂的环境下仍有较好的效果调节电位器实现阈值的设定，通过液晶观察图像，调节其至最佳效果阈值调节方式：该方案的缺陷：

1.阈值无法变化，为固定值2.调节至适宜效果较为困难，需要有一定的调试经验方案一：滞回电压比较型二值化电路图1.5滞回比较二值化电路8方案二：自适应二值化电路图1.5自适应二值化电路原理图8方案二：自适应二值化电路图1.5自适应二值化电路原理图1.2硬件二值化方案的设计方案二：自适应二值化电路该电路的工作原理如下：8550基极电流=（5—0.7—video）/120k集电极的电流I

=8550的β*基极电流

反向输入的阈值电压B

=I*R滑动虽然该方案实现了阈值动态，但是在实际应用中我们发现该方案调节电位器时阈值变化较大，调节范围相比于方案一减小较多。图1.5自适应二值化电路原理图9Video处电压8550基极电流阈值电压B1.2硬件二值化方案的设计方案二：自适应二值化电路该电路的工1.2硬件二值化方案的设计

经过分析和实验，我们得出结论：1.方案一在环境光较为均匀时效果最佳，并且在一些光线环境较为极端的环境下，若能正确调整阈值，可以成功的滤除干扰，获得高质量的图像，但调试难度较大，难以找到最佳的阈值2.方案二在光线较为不均匀，环境光较为复杂但变化不是很剧烈的环境下具有较好的效果，并且对于多个不同环境都有较好的普适效果，具有较好的环境适应性。

最后综合考虑，为了应对不同的赛场环境，保证智能车的正常运行，我们决定设计一个摄像头信号处理子板，将两套方案整合在一块PCB上，通过跳线帽切换，从而增强硬件二值化方案对于各种环境的适应能力。

图1.6摄像头信号处理子板PCB图1.7摄像头信号处理子板实物图101.2硬件二值化方案的设计经过分析和实验，我们得出结

2.1电源系统概述2.智能车系统的电源设计11图2.1第五届至第七届极品飞车1号电源系统图2.1所示的方案为第五届至第七届极品飞车1号所采用的电源设计方案，该方案在较短的应用时间内具有较好的稳定性，但是效率较低，发热量较大，长时间工作易导致系统不稳定，因此在这一届我们对电源系统在此基础上进行了较多的改进。改进后的方案如图2.2所示图2.2第八届极品飞车1号电源系统电源系统设计目标：稳定，高效2.1电源系统概述2.智能车系统的电源设计11图2.2.2MCU及其外设供电系统设计图2.2TPS73XX稳压方案2.智能车系统的电源设计12图2.2AMS1117，LM2940稳压方案老方案原理图如图2.2，存在以下2点缺点：1.AMS1117质量良莠不齐，难以确保稳定；2.LM2940纹波较大，且体积较大，并且其额定1A的电流已远超我们的需求

在新方案中，我们采用TPS7350和TPS7333分别提供3.3V和5V电源，其具有电源质量高，纹波小，电路简单，体积较小的优点，其最大电流可输出500mA,足以满足MCU和外设的需求。2.2MCU及其外设供电系统设计图2.2TPS73XX稳

在本系统中，我使用的传感器为SONY-CCD模拟摄像头，需要12V电源进行供电，而系统中所使用的电池能够提供的电压为7.2V至8.3V，无法直接满足传感器的需求，因此需要搭建升压电路为摄像头提供电源。

在方案设计上，由于智能车所使用的电池的电压随着智能车的运行在不断变化，为了确保电源升压后的稳定性，我们仍借鉴前几届的方案，决定先降压稳压，之后利用稳定的电源进行升压，确保CCD供电电源的稳定。图2.3

CCD摄像头需要12V电源图2.4

CCD摄像头电源方案设计2.智能车系统的电源设计132.3CCD摄像头电源电路设计在本系统中，我使用的传感器为SONY-CCD模拟摄像142.智能车系统的电源设计LM2940+LT1070的方案理论上可以作为CCD摄像头的稳定电源。但由于CCD摄像头功耗较大，使得5V电源提供端的LM2940电流过大，导致LM2940严重发烫，严重时会导致整个主板温度升高，不利于系统的长时间稳定工作。同时，LM2940为线性稳压器件，其理论效率为40%左右，导致了该电源系统效率偏低，浪费了较多的电能，不利于使用电池作为电源的智能车系统长时间稳定工作142.智能车系统的电源设计LM2940+LT107152.智能车系统的电源设计B0512SDC-DC模块LM2596-5V稳压电路

查阅资料知，B0512S效率为86%，LM2596效率为93%，理论转化总效率为：86%X93%=79.98%

相比于之前所应用的LM2940+LT1070方案，该方案的效率具有了明显的提升。双开关电源设计152.智能车系统的电源设计B0512SLM2596-5V图2.6

12V电源端原理图图2.5

5V电源端原理图2.智能车系统的电源设计16图2.612V电源端原理图图2.55V电源端原理图22.4舵机电源电路设计图2.7

S-D5舵机参数图2.8舵机电源端原理图B车模的转向舵机为S-D5数字舵机，由其参数可知，其推荐供电电压为5.5V，正常工作电流为200mA，堵转电流800mA。由其电流要求可知，一般的线性稳压器件即可满足该舵机要求。我们采用LM2941搭建可调压稳压电路，调整至5.5V为舵机供电。经过实验，该方案能够满足舵机的正常工作，并且发热量较小。2.智能车系统的电源设计172.4舵机电源电路设计图2.7S-D5舵机参数图2.82.5电路整体设计经过实验，该电路在稳定工作的前提下效率相比于前几届的智能车电路明显提升，稳压芯片的发热量明显减小，并且在电池电压低至5.8V时仍能维持智能车控制系统和传感器稳定工作。远优于之前的硬件系统。图2.9主板上电源模块部分2.智能车系统的电源设计18设计思路：1.各个电源模块分散布局，保证散热良好；2.走线尽量加粗，尽量减少过孔，保证PCB板的稳定性

2.5电路整体设计经过实验，该电路在稳定工作的前提下效率相

摄像头在提取图像时，由于成象器件拍摄姿态和选用光学器件的种类不同，将会有不同程度的几何失真，在前几届采用普通镜头时，图像畸变的程度并不明显。随着比赛规则由双线更改为单线，为了获取更多有效的图像信息，大多数队伍都采用了广角镜头，但采用广角镜头会使图像畸变严重，导致图像处理的难度增加。图3.1为更换广角镜头后通过视频采集卡获得的图像。由于摄像头图像采集回来的图像除了有标准的梯形失真外，还有由镜头、偏振片等因素导致的不规则桶形失真和帕形失真。几种常见的失真现象如图3.2。图3.2几种常见的图像失真现象图3.1广角镜头引起的桶形失真3.图像校正19图3.2几种常见的图像失真现象图3.1广角镜头对于失真图像的校正，我们的研究思路是：任何一种几何失真都可以用原始图像坐标和畸变图像坐标之间的关系加以描述，因而只需得到原始图像坐标和畸变图像坐标，就可以找出它们之间的对应关系，对图像进行坐标变换，从而得到校正图像。

由于失真问题主要原因由于摄像头镜头更换所引起，因此主要的图像失真为桶形失真。我们只需对图像中的桶形失真进行校正就能获得较好的效果。

通过校正前后的图像对比，我们发现经过图像校正后图像失真明显减少，降低了图像处理的难度，同时也使图像更加规则，稳定。图3.3校正前图像图3.4校正后图像3.图像校正20对于失真图像的校正，我们的研究思路是：任何一种几何失图3.6智能车位于校正板图3.7通过视频采集卡获得的图像1.调整摄像头的视野与前瞻，采集原始图像

（1）将智能车放置于校正板上，调节摄像头的高度和角度，利用视频采集卡在电脑上观察摄像头采集到的图像，将摄像头调整至适宜的视野，固定摄像头的高度与角度。

（2）保持智能车在校正板上位置不变，利用智能车本身采集图像，存储至SD卡中供上位机分析；

（3）用上位机提取SD卡中存储的图像，根据图像调整程序中的图像采集部分，使MCU看到的图像与视频采集卡的图像大致相同即可图3.8通过智能车获得的图像图像校正主要步骤图3.5图像校正所用的校正板3.图像校正21图3.6智能车位于校正板图3.7通过视频采集卡1.调3.图像校正22图3.9

MCU采集到的标准分辨率图像2.建立坐标系，实现图像变换图3.10

MCU采集到的大分辨率图像图3.11校正后获得的标准分辨率图像在获取图像信息后，我们对校正前的大分辨率图像和预期的图像直接建立坐标系关系，通过坐标系实现坐标变换，通过坐标系变换求得图像的校正数组，从而实现图像校正。增大分辨率求取校正数组图像校正3.图像校正22图3.9MCU采集到的2.建立坐标系，实图4.1典型的圆形碳杆固定摄像头方案图4.2圆形碳杆固定摄像头方案自由度较高4.方形碳杆的摄像头夹持方案23圆形碳杆固定摄像头方案采用圆形碳杆作为摄像头撑杆是一种广泛应用的摄像头固定方案，采用圆形碳杆固定具有易于固定，结构轻便，简单，自由度高的优点，但随着该方案的普遍使用其问题也在不断显现……图4.1典型的圆形碳杆图4.2圆形碳杆固定摄像头4.244.方形碳杆的摄像头夹持方案相信大家在调车过程中都会遭遇这些问题……翻车导致摄像头水平方向变歪摄像头挂在杂物上导致俯仰角和水平方向改变车模高速运动时的摄像头无规律多方向震颤摄像头撞歪后仅凭手工操作难以恢复244.方形碳杆的摄像头夹持方案相信大家在调车过程中都会遭遇即使是平常的调试过程中，这种情况会令智能车的调试效率大打折扣，很多时候大家不得花一定时间去重新校正摄像头位置。若这些问题在比赛中发生，在修车时在没有电脑辅助的情况下很难将其恢复至原始状态……为了解决这些问题，我们决定采用方形碳杆的摄像头夹持方案25即使是平常的调试过程中，这种情况会令智能车的调试效率大打折扣图4.3采用方形碳杆固定摄像头方案

经过分析，讨论和实验，我们决定采用方形碳杆作为摄像头撑杆，在使用圆形碳杆的摄像头支架的基础上进行精细的打磨，使其适合方形碳杆，摄像头撑杆底座采用废旧A车车轮的结构，在固定后使用502和AB胶粘牢，具有较高的坚固性。图4.4方形碳杆的固定底座4.方形碳杆的摄像头夹持方案26图4.3采用方形碳杆固经过分析，讨论和实验，我们274.方形碳杆的摄像头夹持方案更加坚固的固定结构方杆减小了车模运动时摄像头不规则震颤减少了固定结构自由度，仅能调节俯仰角，提高稳定性通过液晶辅助可以很容易的恢复初始状态274.方形碳杆的摄像头夹持方案更加坚固方杆减小了减少了固定结论智能车系统总体结构图281.实现了两套方案的硬件二值化的成熟应用2.搭建了一套成熟稳定的电源电路3.通过图像校正使得图像处理变得更加稳定可靠4.方形碳杆结构使摄像头固定更加稳定坚固结论智能车系统总体结构图281.实现了两套方案的硬件二值化的谢谢!谢谢!基于CCD传感器循迹智能车的硬件及图像处理设计哈尔滨工程大学极品飞车1号参赛队员：喻聪，胡佳兴，魏震宇指导教师：张爱筠，管凤旭基于CCD传感器循迹智能车的哈尔滨工程大学极品飞车1号参赛引言

摄像头组主要通过摄像头传感器获得图像信息。机械结构是智能车的基础，一个稳定，高效的电源系统是智能车稳定运行的保障。在图像采集上，我们采用硬件二值化方案，实现了高效，准确的采集数据。对采集到的数据我们通过图像校正来对畸变的图像进行还原。在机械结构设计上通过对摄像头固定结构进行优化，以保证智能车的稳定运行。

本文将分别从机械结构，硬件电路设计，图像采集方案，图像处理及传感器应用这5个方向进行介绍。图1.1极品飞车1号实物图31引言摄像头组主要通过摄像头传感器获得图像信息。机械结方形碳杆固定摄像头图像校正硬件二值化电源电路设计技术方案整体概览32方形碳杆固定摄像头图像校正硬件二值化电源电路设计技术方案整体与A/D相比硬件二值化

的优点：1.速度更快；2.电路简单，稳定，易于实现；3.可以通过电位器灵活调节阈值，具有一定的环境适应能力；4.相比于AD采集数据量大大减小5.通过在二值化电路中设置滞回区间，能够有效滤除图像中的噪点，提高图像质量图1.1通过AD转换获取的图像图1.2通过硬件二值化获取的图像1.1硬件二值化介绍及其优势1.硬件二值化方案的设计及实现33与A/D相比硬件二值化的优点：图1.1通过AD转换获取的1.2硬件二值化方案的设计方案一：滞回电压比较型二值化电路图1.3滞回电压比较型二值化电路设计方案图1.4.14倍放大之后信号图像（1为原始信号，2为放大后信号）图1.4.2经比较器处理后信号图像（1为原始信号，2为二值化信号）341.2硬件二值化方案的设计方案一：滞回电压比较型二值化电路图35方案一：滞回电压比较型二值化电路6方案一：滞回电压比较型二值化电路方案一：滞回电压比较型二值化电路图1.5滞回比较二值化电路原理图36图1.6在较为复杂的环境下仍有较好的效果调节电位器实现阈值的设定，通过液晶观察图像，调节其至最佳效果阈值调节方式：该方案的缺陷：

1.阈值无法变化，为固定值2.调节至适宜效果较为困难，需要有一定的调试经验方案一：滞回电压比较型二值化电路图1.5滞回比较二值化电路37方案二：自适应二值化电路图1.5自适应二值化电路原理图8方案二：自适应二值化电路图1.5自适应二值化电路原理图1.2硬件二值化方案的设计方案二：自适应二值化电路该电路的工作原理如下：8550基极电流=（5—0.7—video）/120k集电极的电流I

=8550的β*基极电流

反向输入的阈值电压B

=I*R滑动虽然该方案实现了阈值动态，但是在实际应用中我们发现该方案调节电位器时阈值变化较大，调节范围相比于方案一减小较多。图1.5自适应二值化电路原理图38Video处电压8550基极电流阈值电压B1.2硬件二值化方案的设计方案二：自适应二值化电路该电路的工1.2硬件二值化方案的设计

经过分析和实验，我们得出结论：1.方案一在环境光较为均匀时效果最佳，并且在一些光线环境较为极端的环境下，若能正确调整阈值，可以成功的滤除干扰，获得高质量的图像，但调试难度较大，难以找到最佳的阈值2.方案二在光线较为不均匀，环境光较为复杂但变化不是很剧烈的环境下具有较好的效果，并且对于多个不同环境都有较好的普适效果，具有较好的环境适应性。

最后综合考虑，为了应对不同的赛场环境，保证智能车的正常运行，我们决定设计一个摄像头信号处理子板，将两套方案整合在一块PCB上，通过跳线帽切换，从而增强硬件二值化方案对于各种环境的适应能力。

图1.6摄像头信号处理子板PCB图1.7摄像头信号处理子板实物图391.2硬件二值化方案的设计经过分析和实验，我们得出结

2.1电源系统概述2.智能车系统的电源设计40图2.1第五届至第七届极品飞车1号电源系统图2.1所示的方案为第五届至第七届极品飞车1号所采用的电源设计方案，该方案在较短的应用时间内具有较好的稳定性，但是效率较低，发热量较大，长时间工作易导致系统不稳定，因此在这一届我们对电源系统在此基础上进行了较多的改进。改进后的方案如图2.2所示图2.2第八届极品飞车1号电源系统电源系统设计目标：稳定，高效2.1电源系统概述2.智能车系统的电源设计11图2.2.2MCU及其外设供电系统设计图2.2TPS73XX稳压方案2.智能车系统的电源设计41图2.2AMS1117，LM2940稳压方案老方案原理图如图2.2，存在以下2点缺点：1.AMS1117质量良莠不齐，难以确保稳定；2.LM2940纹波较大，且体积较大，并且其额定1A的电流已远超我们的需求

在新方案中，我们采用TPS7350和TPS7333分别提供3.3V和5V电源，其具有电源质量高，纹波小，电路简单，体积较小的优点，其最大电流可输出500mA,足以满足MCU和外设的需求。2.2MCU及其外设供电系统设计图2.2TPS73XX稳

在本系统中，我使用的传感器为SONY-CCD模拟摄像头，需要12V电源进行供电，而系统中所使用的电池能够提供的电压为7.2V至8.3V，无法直接满足传感器的需求，因此需要搭建升压电路为摄像头提供电源。

在方案设计上，由于智能车所使用的电池的电压随着智能车的运行在不断变化，为了确保电源升压后的稳定性，我们仍借鉴前几届的方案，决定先降压稳压，之后利用稳定的电源进行升压，确保CCD供电电源的稳定。图2.3

CCD摄像头需要12V电源图2.4

CCD摄像头电源方案设计2.智能车系统的电源设计422.3CCD摄像头电源电路设计在本系统中，我使用的传感器为SONY-CCD模拟摄像432.智能车系统的电源设计LM2940+LT1070的方案理论上可以作为CCD摄像头的稳定电源。但由于CCD摄像头功耗较大，使得5V电源提供端的LM2940电流过大，导致LM2940严重发烫，严重时会导致整个主板温度升高，不利于系统的长时间稳定工作。同时，LM2940为线性稳压器件，其理论效率为40%左右，导致了该电源系统效率偏低，浪费了较多的电能，不利于使用电池作为电源的智能车系统长时间稳定工作142.智能车系统的电源设计LM2940+LT107442.智能车系统的电源设计B0512SDC-DC模块LM2596-5V稳压电路

查阅资料知，B0512S效率为86%，LM2596效率为93%，理论转化总效率为：86%X93%=79.98%

相比于之前所应用的LM2940+LT1070方案，该方案的效率具有了明显的提升。双开关电源设计152.智能车系统的电源设计B0512SLM2596-5V图2.6

12V电源端原理图图2.5

5V电源端原理图2.智能车系统的电源设计45图2.612V电源端原理图图2.55V电源端原理图22.4舵机电源电路设计图2.7

S-D5舵机参数图2.8舵机电源端原理图B车模的转向舵机为S-D5数字舵机，由其参数可知，其推荐供电电压为5.5V，正常工作电流为200mA，堵转电流800mA。由其电流要求可知，一般的线性稳压器件即可满足该舵机要求。我们采用LM2941搭建可调压稳压电路，调整至5.5V为舵机供电。经过实验，该方案能够满足舵机的正常工作，并且发热量较小。2.智能车系统的电源设计462.4舵机电源电路设计图2.7S-D5舵机参数图2.82.5电路整体设计经过实验，该电路在稳定工作的前提下效率相比于前几届的智能车电路明显提升，稳压芯片的发热量明显减小，并且在电池电压低至5.8V时仍能维持智能车控制系统和传感器稳定工作。远优于之前的硬件系统。图2.9主板上电源模块部分2.智能车系统的电源设计47设计思路：1.各个电源模块分散布局，保证散热良好；2.走线尽量加粗，尽量减少过孔，保证PCB板的稳定性

2.5电路整体设计经过实验，该电路在稳定工作的前提下效率相

摄像头在提取图像时，由于成象器件拍摄姿态和选用光学器件的种类不同，将会有不同程度的几何失真，在前几届采用普通镜头时，图像畸变的程度并不明显。随着比赛规则由双线更改为单线，为了获取更多有效的图像信息，大多数队伍都采用了广角镜头，但采用广角镜头会使图像畸变严重，导致图像处理的难度增加。图3.1为更换广角镜头后通过视频采集卡获得的图像。由于摄像头图像采集回来的图像除了有标准的梯形失真外，还有由镜头、偏振片等因素导致的不规则桶形失真和帕形失真。几种常见的失真现象如图3.2。图3.2几种常见的图像失真现象图3.1广角镜头引起的桶形失真3.图像校正48图3.2几种常见的图像失真现象图3.1广角镜头对于失真图像的校正，我们的研究思路是：任何一种几何失真都可以用原始图像坐标和畸变图像坐标之间的关系加以描述，因而只需得到原始图像坐标和畸变图像坐标，就可以找出它们之间的对应关系，对图像进行坐标变换，从而得到校正图像。

由于失真问题主要原因由于摄像头镜头更换所引起，因此主要的图像失真为桶形失真。我们只需对图像中的桶形失真进行校正就能获得较好的效果。

通过校正前后的图像对比，我们发现经过图像校正后图像失真明显减少，降低了图像处理的难度，同时也使图像更加规则，稳定。图3.3校正前图像图3.4校正后图像3.图像校正49对于失真图像的校正，我们的研究思路是：任何一种几何失图3.6智能车位于校正板图3.7通过视频采集卡获得的图像1.调整摄像头的视野与前瞻，采集原始图像

（1）将智能车放置于校正板上，调节摄像头的高度和角度，利用视频采集卡在电脑上观察摄像头采集到的图像，将摄像头调整至适宜的视野，固定摄像头的高度与角度。

（2）保持智能车在校正板上位置不变，利用智能车本身采集图像，存储至SD卡中供上位机分析；

（3）用上位机提取SD卡中存储的图像，根据图像调整程序中的图像采集部分，使MCU看到的图像与视频采集卡的图像大致相同即可图3.8通过智能车获得的图像图像校正主要步骤图3.5图像校正所用的校正板3.图像校正50图3.6智能车位于校正板图3.7通过视频采集卡1.调3.图像校正51图3.9

MC