摄像头组技术报告

构和开发流程。采用1:10的仿真车模，以飞思卡尔半导体公司生产的16构和开发流程。采用1:10的仿真车模，以飞思卡尔半导体公司生产的16MC9S12XS128CodeWarriorIDE开发环境中进行软件开发，使赛车智能车系统的调试工具，重点对SD卡上位机和下位机进行了详细的介绍。ThispaperintroducesthehardwareandsoftwarestructureofsmartcarsystemanddevelopmentprocessInthefifthfreescalecupcompetitionforintelligentvehicle.Using1:10simulationmodels,withFreescaleSemiconductorcompany’s16-bitMCUMC9S12XS128asthecore,dothesoftwaredevelopmentintheCodeWarriorIDEdevelopmentenvironmentandmakecarontheblacklinewiththefastestspeed.Thewholesysteminvolvesthemechanicalstructuredesignandadjustment,systemarchitectureanddesignofhardware,softwarealgorithmThispaperintroducesthehardwareandsoftwarestructureofsmartcarsystemanddevelopmentprocessInthefifthfreescalecupcompetitionforintelligentvehicle.Using1:10simulationmodels,withFreescaleSemiconductorcompany’s16-bitMCUMC9S12XS128asthecore,dothesoftwaredevelopmentintheCodeWarriorIDEdevelopmentenvironmentandmakecarontheblacklinewiththefastestspeed.Thewholesysteminvolvesthemechanicalstructuredesignandadjustment,systemarchitectureanddesignofhardware,softwarealgorithmanddebuggingsystems,etc.Thefronttire’soptimization,thefrontposition,steeringgearadjustmentandthecamerapositionareintroducedinthemechanicalstructure;TheMCUhardwareselectionandhardwaredesignofeachmoduleareintroducedinthehardwaredesign,inwhichthepowermanagementmodule,cameraacquisitionmoduleandmotorderivewithHbridgearemainlyintroduced;Inthesoftware,themainresourcemoduleinitializationandPIDalgorithmarethefocus;Finally,severaldebuggingtoolsofsmartcarareintroducedindetail,focusingontheSDcardonPCandKeywords:MC9S12XS128,Camera,Hbridge,PID,Edge绪 课题背景及意 整体思路和总体介 智能车机械设计及调绪 课题背景及意 整体思路和总体介 智能车机械设计及调 轮胎优化调 车轮的定位和舵机调 前轮前 前轮外 后轮外 舵机的调 2.3重心调整与车上设备的安 智能车系统架构及硬件设 MC9S12XS128最小系 核心控制器介 单片机最小系统 电源管理模块的设 5V稳压电 12V稳压电 3.3V稳压电 6V稳压电 摄像头采集模 电机驱动模 速度反馈模 调试模 智能车软件设计方 控制系统整体程序架 系统初始 超频设 摄像头初始 PWM初始 测速模块初始 视频采集与图像处 4.3.1视频信号时 视频信号采集与处理的时间安 轨迹信息提 轨迹位置利 控制策 经典PID控制介 经典PID算法应用在智能车的速度控制 经典经典PID算法应用在智能车的转向控制 具体细节控 第五章系统调 编译开发环 SD卡模 SD卡介 SPI总线的介 SD卡的软件操 上位机软件调 人机接口模 第六章模型车的主要技术参 结 参考文 附 V第一绪1.1第一绪1.1课题背景及意2006年以来每年举行的全国大学生智能汽车竞赛就本小组就是搭建基于视觉导航的智能汽车系统，通过摄像头对赛道图像的有效采1.2整体思路和总体介采集车轮的速度，并将信号传到核心控制单元处理后，由PWM模块产生相应的PWM波1第二智能车机械设计第二智能车机械设计及调突出特点为四轮驱动，四轮独立悬挂，相比于A型车模结构上复杂程度有所增加。同B型车模的机械结构和调整主要分以下几个方面：1.轮胎优化调整；2.2.1轮胎优化调2.2车轮的定位和舵机调2.2.1前轮前2Toe角度会改变车辆的转向反应和直道行驶Toe角度。经过多次试验，选择Toe角度会改变车辆的转向反应和直道行驶Toe角度。经过多次试验，选择2.2.2前轮外前轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间2.2.3后轮外2.2.4舵机的调B车的舵机传动结构比较复杂，造成了一部分力矩的损失，所以为了尽量减少这 重心调整与车上设备的安像头采用较轻的CMOS黑白摄像头，安装架采用碳纤维杆，并将摄像头整体后移，在34第三智能车系统架构及硬第三智能车系统架构及硬件设对智能车来说，硬件系统的可靠性是必须的，为此我们小组花费了大量时间在硬后再用算法实现。视频信号是通过摄像头采集模块摄取赛道图像并以PAL模拟信向53.1MC9S12XS128最小3.1MC9S12XS128最小系3.1.1核心控制器介单片机的技术进步，与原来的S12D系列单片机尽可能兼容，并不增加开发难度。MC9S12XS12840M128KFLASH8K的和PWM等常见的接口模块，在汽车电子应用领域具有广泛的用途[5]。MC9S12XS128.88PWM.1Mbit/sCAN.两个异步串行（SCI）模.一个同步串行（SPI）模112803.1.2单片机最小系统块化的设计。单片机最小系统部分使用MC9S12XS128单片机，80引脚封装，为减少电路板空间，板上仅将本系统所用到的引脚引出，包括PWM接口，定时器接口，外IO接口。其他部分还包括电源滤波电路、时钟振荡电路、6第三章智能车系统架构及硬件第三章智能车系统架构及硬件MCUMINIUM3.1单片机端口该最小系统板的资源配置如7ATD摄像头图像外部中场同步,行同步信号和图像上升下降沿ECT光电编码器脉冲信PWM电机驱动信舵机驱动信SCI串口通I/O预预留给RF905无线调试拨码开蜂鸣驱动电路刹车控制信PWM01234516位的通道PT7为脉冲累加器的外部引脚（XS系列PWM01234516位的通道PT7为脉冲累加器的外部引脚（XS系列单片机只PT7有脉冲累加功能，PJ7接收场同步信号产生场中断，PP5接收行同步信号产生行中断，PT4PT6读取比较器二值化信息（即上升沿和下降沿的位置。异步串行通信模MCUPC间的数据通信1用来3.2电源管理模块的设智能车系统的总的电源供应来7.2V大容量镍镉电池，但是单片机最小系统和一5V的电源，SDRF9053.3V低压，伺服电机工作电压范围4V6V之间，CMOS摄像头经过我们改装应5V供电，驱动电路需要所示3.2.15V稳压电5V电源模块用于为单片机系统、传感器模块LM1881等芯片供电。经过比较，们选用了低压差线性稳压芯片AMS1117-5.0为单片机和摄像头供电，LM2940-5.0为各个模块供电，故用如下图3.4所示81332413.45V3.2.212V压电12VPCB板的面积和布线的难易，我们经过比12433.512V3.2.33.3V稳压电1332413.45V3.2.212V压电12VPCB板的面积和布线的难易，我们经过比12433.512V3.2.33.3V稳压电92 3241Cap3.63.3V3.2.46V稳压电6V供电电压用来给舵机供电。赛车调试过程中，发现若直接给舵机电池电压，电LM2941-ADJ42512633241Cap3.63.3V3.2.46V稳压电6V供电电压用来给舵机供电。赛车调试过程中，发现若直接给舵机电池电压，电LM2941-ADJ42512633.3摄像头采集模目前市场的模拟摄像头有两大主流：CCDCMOS，两者都是利用感光二极管进CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出，正因为如此，两者在效能与功能上有许多差异，CMOS的缺点是成像质量130.3VLM1881视频分离芯片来辅助采样视频[10]。LM1881单片机的I/O口，可以使用9S12XS128I/O口的中断功能来接收这些信号。3.8123Header213570.3VLM1881视频分离芯片来辅助采样视频[10]。LM1881单片机的I/O口，可以使用9S12XS128I/O口的中断功能来接收这些信号。3.8123Header213576R843.8LM1881PJ7IO都具有中断输入功能，在这两个中断服务程具体实现是在PT4和PT6的中断里采集二值化后的上升沿和下降沿信息，电路方面采定，最后考虑可靠性和稳定性，选择TL431作为参考电压，另外考虑PAL3.911A3267B具体实现是在PT4和PT6的中断里采集二值化后的上升沿和下降沿信息，电路方面采定，最后考虑可靠性和稳定性，选择TL431作为参考电压，另外考虑PAL3.911A3267B53.4电机驱动模常见方法是施加一个PWM（脉宽调制）方波，其通-断比率对应于所需速度。电机起PWM信号转换为有效直流电平。PWM驱动信号很常用，48482第三章智能车系统架构及硬件MC33887等，但是这些芯片的内部电阻较大，发热严重，驱动能力有限，所以经过搜集资料和仿真改进，我们自己IR公司MOSFETIRLR7843MOSFET第三章智能车系统架构及硬件MC33887等，但是这些芯片的内部电阻较大，发热严重，驱动能力有限，所以经过搜集资料和仿真改进，我们自己IR公司MOSFETIRLR7843MOSFET驱动IR2104H桥驱动电路。IRLR78433.3毫欧姆，最大允许连压在10到20V，具有刹车使能功能，具有较好的保护和恰当的死区，外接电路简单3.10电机驱动电上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。该驱动器主要由以下部分组成：PWM信号输入接口、刹车电路、电源及指示电路、上下桥臂功率MOSFET管、栅极驱动电压升电路、功率MOSFET管栅极驱动电路等3.5速度反馈模PID制，即可消除上述各种因素的影响，使得车模运行得更稳定。车速检测的方式有很多种，例如用测速发电机、转角编码盘、反射式光电检测、 1 D R1 MOTOR_1Header 2 1 VB 4 VS R2Res3 D R4 射式光电检测和霍尔传感器检测。本次设计采用了日NIDECNEMICON公司的光电编码器，其内部是由光电对管加光栅码盘构成的，结构简单，稳定可靠，如3.11所示，输出100线，1600mv的脉冲，需要外加信号调理电路整形成可靠的方波，调理和射式光电检测和霍尔传感器检测。本次设计采用了日NIDECNEMICON公司的光电编码器，其内部是由光电对管加光栅码盘构成的，结构简单，稳定可靠，如3.11所示，输出100线，1600mv的脉冲，需要外加信号调理电路整形成可靠的方波，调理和低速情况下波形均稳定可靠，满足要求3.11电编码P2Header31C3212U1A3.12测速电3.6调试模后，通过上位机查看图像数据，以便分析改进。SD卡电路如下图3.13所示 135246841234第四智能车软件设计方控制系统整体第四智能车软件设计方控制系统整体程序架4.1系统程序框程序框架如图4.1，底层函数都以模块化形式编写，并且尽量进行了最优化的调整4.2系统初始4.2.1超频设9S12XS系列单片机一般外加16M外部晶振作为外部时钟，内部总线频率可选为4.2系统初始4.2.1超频设9S12XS系列单片机一般外加16M外部晶振作为外部时钟，内部总线频率可选为PLL锁相环时钟，由于摄像头数据采集需要很强的实时性，所以理论上希望内部时钟频率越高越好，9S12XSPLLSEL选择内部总线PLLSYNR，REFDVPOSTDIV决40MPLL64M仍SYNR=0xc0|0x07;//disengagePLLto//turnon////Fpll=Fvco/(2*POSTDIV)CLKSEL_PLLSEL//whenpllissteady,thenuse//engagePLLto4.2.2摄像头初始和场同步信号，这两个信号分别接到单片机的PP5PJ7这两个带中断输入功能的IO口PT4PT6IO中断功能/***************************ECT初始化TIOS&=TSCR2=TCTL3=6TSCR1_TEN=1;//打开定时//PORTP5口为输入方式（有待考察//PORTP5口为输入方式（有待考察//pulldevice//pulldevice4.2.3PWM初始脉宽调制（PWM）模块有8路独立的可设置周期和占空比的8PWM通道，每个48路信号。通过配置寄存器可设置PWM的使能与否、每个通道的工作脉冲极性、每个通道输出的对齐方式、时钟源以及使用方式（单独输出还是合并输出PWM0PWM1两路合并为一16位PWM01来控制舵机，用PWM2PWM3两路合并组成的PWM23与PWM4PWM5PWM451/255提高到1/65536。PWM模块的初始化设置过程为：PWMPRCLK|=0x05;PWMPOL_PPOL1=1;PWMPER01=32分频PWMDTY01=SERVO_MID;//PWME_PWME3=0;PWMPRCLK|=0x55;PWMPOL_PPOL3=PWMCTL_CON23=PWMPRCLK|=0x55;PWMPOL_PPOL3=PWMCTL_CON23=PWMPER23=PWMDTY23=PWMCNT23=PWMPOL_PPOL5=PWMCTL_CON45=PWMPER45=PWMDTY45=PWMCNT45=//32//2、3//4、54.2.4测速模块初始本系统测速方案采用了光电编码器测速，在固定周期里读取脉冲数，即设置RTI10ms10ms9S12DG9S12XSECTPT7RTICTL=0b11000111;//16M晶振160*10^3分频，10ms中TIOS_IOS7=0;TCTL1_OL7=0;//关闭输PACTL=0b01000000;//使能脉冲累加功能，事件模式，下降沿，禁止脉冲4.3视频采集与图像处4.3.1视频信号时时序的具体参数，具体结果见表4.1。4.131122行是场消隐信号。在视频信号区，每行信号持续的每行持续的时间会有所变化，每行对应的消隐脉冲持续时间，尽管大多数为3.5us，但4.3.2视频信号采集与处理的时间时序的具体参数，具体结果见表4.1。4.131122行是场消隐信号。在视频信号区，每行信号持续的每行持续的时间会有所变化，每行对应的消隐脉冲持续时间，尽管大多数为3.5us，但4.3.2视频信号采集与处理的时间安4.21-567-（同步脉冲因为采用的模拟摄像头每秒钟会传50因为采用的模拟摄像头每秒钟会传50场画面到控制器，所以要求控制器要妥善理完毕（一般为20ms。处理方式仿照89S52中双数据指针的做法，设置了两个标志位，一位为数据采集标志位，担当数据采集的数据指针，另一位为数据处理标志位，担当数据处理的数据指针实现了图像采集与图像处理同步进行，通过软件测量表明在数据采集完成后仅需不到行的时间就可完成数据处理任务，图像数据处理软件部分流程图如4.3数据处理流4.3中，Line_Save变量负责数据的采集工作，表示已经采集的行数，它的变加。Line_Process变量负责数据的处理工作，表示数据待处理的行数，它也由场中断来实现数据采集与数据处理的同步4.3.3轨迹信息提4.3.3轨迹信息提找，轨迹边缘获取流程图如图4.4所示：对首行之外的数据处理采用窗口法减少数据处理时间，考虑到图像中轨迹的连续置4.3.4轨迹位置利4.3.4轨迹位置利另外，由于近端的图像信息比远端可靠，因此取较近的转向参考行还可以确保舵4.4控制策4.4.1PID控制介PID控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。问世至70多年来，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。单反馈PID控制原理框图如图4.5单位反馈的PID理单位反e代表理想输入与实际输出的误差，这个误差信号被送到控制器，控制器 iuke edt（4-dkp，ki，kd分别称为比例系数、积分系数、微分系数。u接着被送到了执行机构，这样就获得了新的输出信u,这个新的输出信号被再次送到感应器以发现新的误PID各个参数作用基本介绍此实现数字PID调节器。PID制器的基本算式（位置算式）如公式4-2：enn1unk(e 此实现数字PID调节器。PID制器的基本算式（位置算式）如公式4-2：enn1unk(e ekT)（4-pnTTkiPreUkp*errorki*Integralkd*（4-uuk[(e)(ee（4- T iPreU(kp*d_errorki*errorkd*dd_（4-直接在控制系统的试验中进行，而且方法简单[14]。所以实际调车过程中，采用了第二4.4.2经典PID算法应用在智能车的速度控制通过光电编码器获取的当前速度值来调整电机的PWM占空比，可以实现对于速度的闭环控制。这样做改变了通过直接设置PWM占空比调整电机转速的开环控制方片机上实现代码跟据公式4-3得如下代码：speed_err=ObjectSpeed-(int)AveSpeed;//算出差值espeed_err0=speed_err; Ui=speed_err/4+Ui0;//积Ui0=//保存历史DCDuty=其中反馈速度的获取上，采用周期性读取脉冲累加器的值，具体流程如4.6速度获取流程4.4.3经典PID算法应用在智能车的转向控制1、将积分项系数置零，经过测试发现，相比稳定性和精确性，舵机在这种动态随动KiKp数，发现车能在直线高速行驶时仍能保持车身非常稳定，没有震荡，基本没有必要Ki参数Kd则使用定值，原因是舵机在一般赛道中都需要较好的动态响应能力2、微分项系Sensor=SERVO_MID+(Kp)*(x-CAR_MID)+Kd*(x-z);//Sensor=SERVO_MID+(Kp)*(x-CAR_MID)+Kd*(x-z);//增量式PID控制4.4.4具体细节控采用双边沿算法，采集到图像中每一行的边沿位置，并利用数组控制策略2——D形弯加速策略：D形弯时，用时非常多。考虑到D形弯时一旦进弯车的转角比较稳定，在看到直D形弯的具体特点——长直道入弯，再到长直道，判断长直道的方法是：以当5幅图像时是弯4.7D控制策略4——起跑线检测4.84.8起跑线是白、黑、白、黑、白、黑、白分布的，根据这一特点我在程序里不是正对着过，这样造成漏检的可能就非常的大。因此，只检测黑、白、黑、白、黑这样也可以客观的反应起跑线的特点，并且实际调试过程中发现这种方法比较准确第五统调5.1编译第五统调5.1编译开发环MetrowerksMC9S12系列专门提供的全套开功能相比于以前有了许多提高。CodeWarriorforS12XHC12S12XCPU可视化参数显示工具、项目工程管理器、CCodeWarrior5.2SD卡模CodeWrrior调试工具时需要通过PCSD5.2.1SD卡介SD卡(SecureDigitalMemoryCard)是一种基于半导体快闪存的新一代记忆设备。由SanDisk19998月共同开发研制，其大小犹如一张邮票，重量只有2g，却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。SDFAT的格式来存储数据。SDSDSPI模式，主机系统可以选择其中任一模式。SPI5.2.25.2.2SPI总线的介SPI(SerialPeripheralInterfaceMOTOROLA公司推出的一种同步串行总线接口,它是目前单片机应用系统中最常用的几种串行扩MISOMOSI,另外还有一条低电平有效的从机是以字节为单位进行传输的,每字节为8位,每个命令或者数据块都是字节对齐的(8SDCS(CardSelect)SD卡发送命令,SD1字节或2字节响应)。SD5.2.3SD卡的软件操SD5.1第五章系统调第五章系统调SD卡上电后会自动进入SD总线模式，并在SD总线模式下向SD卡发送复位命令工作在SD总线模式。SD卡进入SPI工作模式会发出应答信号，若主机读到的应答信号01，即表SD卡已进SPI模式，此时主机即可不断地SD卡发送命令字此后，系统便可读SD卡的各寄存器，并进行读写等操作，每次读写数据都是按写正常，并且没有影响单片机正常工作。具体流程图如图5.2所示第五章系统调上第五章系统调上位机软件调5.4如图5.4如图5.4所示上位机软件由VC++编写，实现了在上位机上对SD卡中数据的读取和5.2.4人机接口模人机接口部分具有一个3*4键盘和4个8段数码管，用于比赛和调试时输入控制参8LED64ZLG7290设计，8位共阴式数码管（64LED）的智能显示64LED显示、键986654312345678127899+C5123123456784567899SD卡模块结合一块使用，非常方便，可以在不改变单实际应用时，把该模块机内部代码的情况下实时调整参数，数码管在显示按键的同时也可以用来上传内部参运行状态，直观方便，使调试小车事半功倍74215354321986654312345678127899+C5123123456784567899SD卡模块结合一块使用，非常方便，可以在不改变单实际应用时，把该模块机内部代码的情况下实时调整参数，数码管在显示按键的同时也可以用来上传内部参运行状态，直观方便，使调试小车事半功倍74215354321第六模型车的主要技术参长宽高第六模型车的主要技术参长宽高0视野范围（近/远单片机MC9S12XS128作为系统控制处理器，采用基于摄像头的图像采样获取赛道图PID方式对舵机转向进行反馈控制。通过速度传感器对小车形成速度闭环的PID控制。PIDSD卡上位机下位机代码的编参考文黄开胜，金华民，蒋狄南.韩国智能模型车技术方案分析[J].参考文黄开胜，金华民，蒋狄南.韩国智能模型车技术方案分析[J].孙同景，陈桂友.Freescale9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京：宋敏，郐新凯，郑亚茹.CCDCMOS图像传感器探测性能比较.卓晴，王琎，王磊.基于面阵CCD的赛道参数检测方法[J].电子产品世界，葛亚明，刘涛，王宗义.视频同步分离芯片LM1881及其应用[J].BrownMA,BlackwellKT,KhalakHG..Multi-ScaleEdgeDetectionandFeatureBinding:AnIntegratedApproach[J].Patternrecognition,1998,31(10),1479-1490.邓剑，杨晓非，廖俊卿.FAT文件系统原理及实现[J].计算机与数字工程，附附录AMAIN主函数#include<hidef.h>#include"Init.h"#include附附录AMAIN主函数#include<hidef.h>#include"Init.h"#include/*commondefinesandmacros/*derivative-specificdefinitions#defineBlackMid #defineLeftEdge37#defineRightEdge#defineServoMid#defineServoMax可调整的变量uchar{附录A：主控程序源代附录A：主控程序源代void{inti;}ucharucharRelScanWith;int//黑线宽度允许误差的基础值Camera//Camera图像数据区ucharv_point_up[276][5];ucharg_BlackCenter[276];ucharg_Width[276];ucharucharuintFlag_Down=0,Flag_Up=0;uintLineCCD=ucharFlagField=0;intUsableLines0;int其他变量intintintintPulse_Count0=0; intPulse_Count1=0;intAveSpeed=0;voidProcessLineOne(void);intintPulse_Count0=0; intPulse_Count1=0;intAveSpeed=0;voidProcessLineOne(void);voidLineProcess(void);voidMeasureSpeed(void);voidvoid函数声明voidTurn(void) intKp=6-BlackErr=g_BlackCenter[120]-Servo=ServoMid+Servo=Servo+ServoMax;elseif(Servo<(Servo-Servo=Servo-PWMDTY01=}void{}void{附录A：主控程序源代{//EasytoChangeif(Line_Process<Line_Save){附录A：主控程序源代{//EasytoChangeif(Line_Process<Line_Save){//执行舵机和调速控}}}行处理void{elseProcessLineOthers();if(Line_Process<=50&&field==0)}void{ucharuchar{if(v_point_up[Line_Process][i]-v_point_down[Line_Process][i+1]>=11&&v_point_up[Line_Process][i]-{}}{//processedge,dependon//CameraRelative40about{if(v_point_up[Line_Process][i]-v_point_down[Line_Process][i+1]>=11&&v_point_up[Line_Process][i]-{}}{//processedge,dependon//CameraRelative40about1/5of //边沿的认定范围 值}else//itmustbetheblack{g_BlackCenter[Line_Process]=(v_point_down[Line_Process][temp[cnt-g_Width[Line_Process]=v_point_up[Line_Process][temp[cnt-1]]-v_point_down[Line_Process][temp[cnt-}{if(v_point_up[Line_Process][i]-v_point_down[Line_Process][i+1]>=13&&v_point_up[Line_Process][i]- {g_BlackCenter[Line_Process]=(v_point_down[Line_Process][temp[cnt-附录A：主控程序源代g_Width[Line_Process]=v_point_up[Line_Process][temp[cnt-1]]-v_point_down[Line_Process][temp[cnt-}{附录A：主控程序源代g_Width[Line_Process]=v_point_up[Line_Process][temp[cnt-1]]-v_point_down[Line_Process][temp[cnt-}{}}history}void{intWidthAllowErr=5*g_Width[Line_Process-1]/EptWith[Line_Process-for(i={temp1=temp+i-1;temp2=temp-i;if(temp1>RightEdge)if(temp2<LeftEdge)//嵌{{g_Width[Line_Process]=v_point