小车循迹及传感器及其软硬件设计培训课件

1小车循迹及

传感器及其软硬件设计张仁彦信息与电气工程学院2014.72014年山东省机器人大赛暑假培训1小车循迹及

传感器及其软硬件设计张仁彦2014年山东省机器2什么是小车循迹2什么是小车循迹3循迹小车的系统功能结构主控制器(单片机、和等)电源电路（5V、3.3V、6V和12V等）舵机驱动(转角控制)电机驱动(速度控制)测速电路(速度反馈)转换电路(传感器信号采集)轨迹检测传感器直流(或步进)电机舵机通信模块(传递系统信息)电池(57.21224V)循迹小车机(上位机)3循迹小车的系统功能结构主控制器电源电路舵机驱动电机驱动测速4轨迹表示可见黑色线条不可见（不讲）交流电信号4轨迹表示可见5循迹检测传感器黑色线条光电法红外传感器、激光传感器图像处理法摄像头5循迹检测传感器黑色线条6主要内容光电法循迹图像法循迹6主要内容光电法循迹71.光电法循迹1.1基本工作原理1.2电路设计1.2.1红外传感器1.2.2激光传感器1.3传感器的布局1.4软件设计71.光电法循迹1.1基本工作原理81.1工作原理红外光或激光，照射到黑色物体反射光能量少浅色物体反射光能量大根据反射光的强弱检测黑线81.1工作原理红外光或激光，照射到根据反射光的强弱91.2电路设计1.2.1红外传感器1.2.2激光传感器91.2电路设计1.2.1红外传感器101.2.1红外传感器红外对管一体红外发射管和接收管分离5000：蓝色是发射，黑色是接收，发射端短的接地，接收端长的接地101.2.1红外传感器红外对管5000：蓝色是发射，黑色11使用要点反射的红外光能被对应的红外接收管接收相邻管之间互不干扰防止其它光源干扰，如：不能强光照射选用工作电流：电流与光强间的线性度和使用寿命注意测试有效检测距离11使用要点12硬件电路设计读高低电平转换12硬件电路设计读高低电平1313141.2.2激光传感器发射管调制管接收管对焦透镜141.2.2激光传感器发射管15发射管和发射电路发射管调制管下拉电阻调整方波信号频率180淘宝红树伟业一般接，脚可以不用15发射管和发射电路发射管淘宝红树伟业一般接，脚可以不用16注意事项硬件极性不能接反；尽量避免人体接触和带静电物体接触激光管，避免静电烧坏；但避免焊接过热和较长时间过热解决办法：释放人体静电烙铁先通电，在焊接的时候拔掉电源用胶固定软件激光传感器相互之间的干扰解决办法：分时发光的策略，使用74138作为分时控制器16注意事项17接收管和接收电路接收管160200，180左右的频率下接收能力最强常态低、常态高对焦透镜对焦聚光增强接收能力17接收管和接收电路接收管1818191.3传感器的布局191.3传感器的布局2020212122清华大学“摇头”车22清华大学“摇头”车23………极限前瞻………………23………极限前瞻………………24北京科技大学“摇头”加“点头”车24北京科技大学“摇头”加“点头”车251.3软件设计1.3.1软件流程图1.3.2典型控制策略251.3软件设计1.3.1软件流程图261.3.1软件流程图开始系统初始化读取红外接收管信号点亮红外发射管判断车道类型（如直道、小弯和大弯等）计算舵机转角计算电机转速PWM舵机转角控制PWM电机转速控制测速速度PID261.3.1软件流程图开始系统初始化读取红外接收管信号点271.3.2典型控制策略北京科技大学第三届飞思卡尔智能车竞赛加权法激光传感器一字排布图271.3.2典型控制策略北京科技大学第三届飞思卡尔智能车28激光传感器在普通赛道上传感器位置分布激光传器在起点处激光传感器在十字交叉线处28激光传感器在普通赛道上传感器位置分布激光传器在起点处激光29光电传感器路径识别算法传感器重心取值分配图29光电传感器路径识别算法传感器重心取值分配图303031弯道策略入弯减速、出弯加速入弯急减速、弯内提速、出弯加速31弯道策略322.图像法循迹2.1图像法工作原理2.2电路设计2.3软件设计322.图像法循迹2.1图像法工作原理332.1图像法工作原理摄像头采集图像图像处理的方法识别轨迹332.1图像法工作原理摄像头采集图像342.2电路设计2.2.1摄像头工作原理2.2.2图像信号的基本概念2.2.3摄像头分类2.2.4模拟摄像头电路设计2.2.5图像采集342.2电路设计2.2.1摄像头工作原理352.2.1摄像头工作原理基本概念像素、帧、行、场、电子扫描、同步和消隐制式352.2.1摄像头工作原理基本概念36基本概念像素平面图像，根据人眼对细节分辨力有限的视觉持性，总可以看成是由许许多多的小单元组成。在图像处理系统中，这些组成画面的细小单元称为像素。像素越小，单位面积上的像素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。电视原理与系统.36基本概念像素电视原理与系统.37图象帧电视系统中把构成一幅图像的各像素传送一遍称为进行了一个帧处理，或称为传送了一帧，每帧图像由许多像素组成，帧是构成活动图象最小单元。视觉暂留时间（约50~200）电视原理与系统.37图象帧视觉暂留时间（约50~200）电视原理与系统.38扫描将组成一帧图象的像素，按顺序转换成电信号的过程称为扫描。电视系统中，扫描多是由电子枪进行的，通常称其为电子扫描。

行扫描从左至右扫描帧(或场)扫描自上而下扫描隔行扫描每帧扫描行数不变，将每帧图像分为两场（奇场和偶场）传送。电视原理与系统.38扫描电视原理与系统.39同步同频：扫描速度相同；同相：每行、每幅的扫描起始时刻相同即同频又同相才能实现同步扫描保证图象既无水平方向扭曲现象，也无垂直方向翻滚现象。同步脉冲每当扫描完一行时加入一个行同步脉冲每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲。消隐在图像换行和换场时，电子枪回扫时不扫描电视原理与系统.39同步电视原理与系统.40黑白全电视信号由"图像信号"和确保扫描同步的"复合同步信号"以及消除扫描逆程回扫线的"复合消隐信号"等辅助信号而构成的。40黑白全电视信号41制式每秒25帧50场分辨率标清：720*576场消隐区、行消隐区、场同步、行同步41制式每秒25帧50场422.2.2图像信号的基本概念亮度人眼对光的明暗程度的感觉对比度最大亮度与最小亮度的比值灰度灰度即亮度级差或称亮度层次

422.2.2图像信号的基本概念亮度432.2.3摄像头分类数字摄像头输出数字信号，如6620模拟摄像头输出模拟信号，制式（制式）432.2.3摄像头分类数字摄像头44数字摄像头662044数字摄像头662045与比较成像质量高动态响应比较好，比较重电压12V质量轻对电源电压的要求低，功耗比较低成像质量差，分辨率低，噪声大电压5V、、三跟线45与比较、、三跟线46小电视显示的摄像头采集图像46小电视显示的摄像头采集图像474748位置低力臂小位置高力臂大转弯时产生的离心力山东大学智能车竞赛讲稿,201048位置低位置高转弯时产生山东大学智能车竞赛讲稿,201049直线行驶时，与安装位置无关，没有影响因舵机在前轮，转向时安装在前影响大安装在后，转向时影响小图象中心偏移量大图象中心偏移量小山东大学智能车竞赛讲稿,201049直线行驶时，与安装因舵机在前轮，转安装在后，转图象中心图50最远点最近点轴心线成像可视范围垂直夹角大，可视范围大，在线数一定的条件下，分辨率底垂直夹角最远点最近点轴心线成像可视范围垂直夹角小，可视范围小，在线数一定的条件下，分辨率高垂直夹角山东大学智能车竞赛讲稿,201050最远点最近点轴心线成像可视范围垂直夹角大，可视范围大，在512.2.4模拟摄像头电路设计电源电路5V、12V视频分离电路512.2.4模拟摄像头电路设计电源电路52525353542.2.5图像采集利用同步信号向处理器发出中断请求，在中断中采集图像。像素同步信号提示出现一个新的像素数据行同步信号提示一行开始场同步信号提示一场开始数字摄像头像素同步读一个像素的灰度，存入数组行同步数组换行场同步开始接收一幅新图像542.2.5图像采集利用同步信号向处理器发出中断请求，在55模拟摄像头转换获得像素值像素的灰度，存入数组行同步开始新一行图像，转换连续转换获得像素值场同步开始接收一幅新图像55模拟摄像头56采集图像结果56采集图像结果57图像二值化结果57图像二值化结果582.3软件设计2.3.1软件流程图2.3.2控制策略582.3软件设计2.3.1软件流程图592.3.1软件流程图开始系统初始化图像处理视频信号A/D转换判断车道类型（如直道、小弯和大弯等）计算舵机转角计算电机转速PWM舵机转角控制PWM电机转速控制测速速度PID592.3.1软件流程图开始系统初始化图像处理视频信号A/602.3.2控制策略北京科技大学第三届飞思卡尔智能车竞赛加权法602.3.2控制策略北京科技大学第三届飞思卡尔智能车竞赛616162谢谢！62谢谢！演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！64小车循迹及

传感器及其软硬件设计张仁彦信息与电气工程学院2014.72014年山东省机器人大赛暑假培训1小车循迹及

传感器及其软硬件设计张仁彦2014年山东省机器65什么是小车循迹2什么是小车循迹66循迹小车的系统功能结构主控制器(单片机、和等)电源电路（5V、3.3V、6V和12V等）舵机驱动(转角控制)电机驱动(速度控制)测速电路(速度反馈)转换电路(传感器信号采集)轨迹检测传感器直流(或步进)电机舵机通信模块(传递系统信息)电池(57.21224V)循迹小车机(上位机)3循迹小车的系统功能结构主控制器电源电路舵机驱动电机驱动测速67轨迹表示可见黑色线条不可见（不讲）交流电信号4轨迹表示可见68循迹检测传感器黑色线条光电法红外传感器、激光传感器图像处理法摄像头5循迹检测传感器黑色线条69主要内容光电法循迹图像法循迹6主要内容光电法循迹701.光电法循迹1.1基本工作原理1.2电路设计1.2.1红外传感器1.2.2激光传感器1.3传感器的布局1.4软件设计71.光电法循迹1.1基本工作原理711.1工作原理红外光或激光，照射到黑色物体反射光能量少浅色物体反射光能量大根据反射光的强弱检测黑线81.1工作原理红外光或激光，照射到根据反射光的强弱721.2电路设计1.2.1红外传感器1.2.2激光传感器91.2电路设计1.2.1红外传感器731.2.1红外传感器红外对管一体红外发射管和接收管分离5000：蓝色是发射，黑色是接收，发射端短的接地，接收端长的接地101.2.1红外传感器红外对管5000：蓝色是发射，黑色74使用要点反射的红外光能被对应的红外接收管接收相邻管之间互不干扰防止其它光源干扰，如：不能强光照射选用工作电流：电流与光强间的线性度和使用寿命注意测试有效检测距离11使用要点75硬件电路设计读高低电平转换12硬件电路设计读高低电平7613771.2.2激光传感器发射管调制管接收管对焦透镜141.2.2激光传感器发射管78发射管和发射电路发射管调制管下拉电阻调整方波信号频率180淘宝红树伟业一般接，脚可以不用15发射管和发射电路发射管淘宝红树伟业一般接，脚可以不用79注意事项硬件极性不能接反；尽量避免人体接触和带静电物体接触激光管，避免静电烧坏；但避免焊接过热和较长时间过热解决办法：释放人体静电烙铁先通电，在焊接的时候拔掉电源用胶固定软件激光传感器相互之间的干扰解决办法：分时发光的策略，使用74138作为分时控制器16注意事项80接收管和接收电路接收管160200，180左右的频率下接收能力最强常态低、常态高对焦透镜对焦聚光增强接收能力17接收管和接收电路接收管8118821.3传感器的布局191.3传感器的布局8320842185清华大学“摇头”车22清华大学“摇头”车86………极限前瞻………………23………极限前瞻………………87北京科技大学“摇头”加“点头”车24北京科技大学“摇头”加“点头”车881.3软件设计1.3.1软件流程图1.3.2典型控制策略251.3软件设计1.3.1软件流程图891.3.1软件流程图开始系统初始化读取红外接收管信号点亮红外发射管判断车道类型（如直道、小弯和大弯等）计算舵机转角计算电机转速PWM舵机转角控制PWM电机转速控制测速速度PID261.3.1软件流程图开始系统初始化读取红外接收管信号点901.3.2典型控制策略北京科技大学第三届飞思卡尔智能车竞赛加权法激光传感器一字排布图271.3.2典型控制策略北京科技大学第三届飞思卡尔智能车91激光传感器在普通赛道上传感器位置分布激光传器在起点处激光传感器在十字交叉线处28激光传感器在普通赛道上传感器位置分布激光传器在起点处激光92光电传感器路径识别算法传感器重心取值分配图29光电传感器路径识别算法传感器重心取值分配图933094弯道策略入弯减速、出弯加速入弯急减速、弯内提速、出弯加速31弯道策略952.图像法循迹2.1图像法工作原理2.2电路设计2.3软件设计322.图像法循迹2.1图像法工作原理962.1图像法工作原理摄像头采集图像图像处理的方法识别轨迹332.1图像法工作原理摄像头采集图像972.2电路设计2.2.1摄像头工作原理2.2.2图像信号的基本概念2.2.3摄像头分类2.2.4模拟摄像头电路设计2.2.5图像采集342.2电路设计2.2.1摄像头工作原理982.2.1摄像头工作原理基本概念像素、帧、行、场、电子扫描、同步和消隐制式352.2.1摄像头工作原理基本概念99基本概念像素平面图像，根据人眼对细节分辨力有限的视觉持性，总可以看成是由许许多多的小单元组成。在图像处理系统中，这些组成画面的细小单元称为像素。像素越小，单位面积上的像素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。电视原理与系统.36基本概念像素电视原理与系统.100图象帧电视系统中把构成一幅图像的各像素传送一遍称为进行了一个帧处理，或称为传送了一帧，每帧图像由许多像素组成，帧是构成活动图象最小单元。视觉暂留时间（约50~200）电视原理与系统.37图象帧视觉暂留时间（约50~200）电视原理与系统.101扫描将组成一帧图象的像素，按顺序转换成电信号的过程称为扫描。电视系统中，扫描多是由电子枪进行的，通常称其为电子扫描。

行扫描从左至右扫描帧(或场)扫描自上而下扫描隔行扫描每帧扫描行数不变，将每帧图像分为两场（奇场和偶场）传送。电视原理与系统.38扫描电视原理与系统.102同步同频：扫描速度相同；同相：每行、每幅的扫描起始时刻相同即同频又同相才能实现同步扫描保证图象既无水平方向扭曲现象，也无垂直方向翻滚现象。同步脉冲每当扫描完一行时加入一个行同步脉冲每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲。消隐在图像换行和换场时，电子枪回扫时不扫描电视原理与系统.39同步电视原理与系统.103黑白全电视信号由"图像信号"和确保扫描同步的"复合同步信号"以及消除扫描逆程回扫线的"复合消隐信号"等辅助信号而构成的。40黑白全电视信号104制式每秒25帧50场分辨率标清：720*576场消隐区、行消隐区、场同步、行同步41制式每秒25帧50场1052.2.2图像信号的基本概念亮度人眼对光的明暗程度的感觉对比度最大亮度与最小亮度的比值灰度灰度即亮度级差或称亮度层次

422.2.2图像信号的基本概念亮度1062.2.3摄像头分类数字摄像头输出数字信号，如6620模拟摄像头输出模拟信号，制式（制式）432.2.3摄像头分类数字摄像头107数字摄像头662044数字摄像头6620108与比较成像质量高动态响应比较好，比较重电压12V质量轻对电源电压的要求低，功耗比较低成像质量差，分辨率低，噪声大电压5V、、三跟线45与比较、、三跟线109小电视显示的摄像头采集图像46小电视显示的摄像头采集图像11047111位置低力臂小位置高力臂大转弯时产生的离心力山东大学智能车竞赛讲稿,201048位置低位置高转弯时产生山东大学智能车竞赛讲稿,2010112直线行驶时，与安装位置无关，没有影响因舵机在前轮，转向时安装在前影响大安装在后，转向时影响小图象中心偏移量大图象中心偏移量小山东大学智能车竞赛讲稿,201049直线行驶时，与安