基于光电传感器和CCD联合循线的智能车系统设计

基于光电传感器和CCD联合循线的智能车系统设计摘要：本文介绍一种在飞思卡尔智能车比赛中，将光电传感器和CCD结合使用的循线智能车设计方案。设计采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12DB128B作为核心控制单元，通过对光电传感器以对及面阵CCD各自特点的分析，提出组合循线的具体软硬件方案，并重点对循线控制算法进行研究，最后对我们的设计方案进行试验验证，得出结论。关键词：智能车、光电传感器、CCD、路径识别中图分类号：TP1Abstract:ThisarticleintroducedadesignandprojectthatusearrayCCDandphotoeletricityswitchasthesensorstorecognizeracewayandcontrolthesmartcarintherace.Intheproject,a16bitMCUMC9S12DB128Bwasusedasthecorecontroller.Fromtheanalyse,thewholedesigningofthesystemwasgaveout.Andwestudythecontrolleralgorithm,thenwetestthesystem,andgiveouttheconclusion.引言在普通的循线小车的制作中，经常采用到的寻迹方案是采用光电传感器来识别道路信息。光电传感器由发光管和接受管组成，用户可以选择将接收二极管接收信号采用数字或模拟的方式进行处理。采用数字量进行处理时，其电路相对简单，并且占用控制器CPU的资源少，对采集到的开关信号处理起来也相对容易，处理速度也较快。在单独使用光电开关时，用户也可根据自己的选择，选用数字或模拟的方式对信号进行采集。数字方式，其电路相对简单，并且占用控制器CPU的资源少，在单片机上对采集到的开关信号处理起来也相对容易，处理速度也较快。而模拟方式精度较高，且对路面的信息提取较前者准确，但通过单片机处理时，需要将采集到的模拟信号通过AD转换转变为数字量，电路相对复杂；在处理速度上，因需考虑到AD转换的时间，故采集速度较前者稍慢。本文所研究的系统采用的是数字方式循线。即传感器阵列采用反射式集成光电开关。其原理为红外发光二极管上电后发出红外光，当外界将光反射回来，被光敏二极管接受到时，光电开关信号线发出信号为低电平；当光线被外界吸收后（在此即指传感器下压住的路面为黑线），光敏元件没有接收到光信号，此时传感器发出信号为高电平。由此即可识别路线。CCD（ChargeCoupledDevices）是一种将光信号转换成电信号的图像传感器。根据光电转换原理它把图像信息转换成电信号,这样便实现了对非电量进行电测量。CCD传感器的工作速度快、测量精度高，并且具有体积小、重量轻、噪声低、、寿命长的特点，因此应用非常广泛，在精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中，发挥着重要的作用。将CCD与光电管作对比，单独采用光电传感器作为循线方案时，循线的精度低，可以识别的道路信息少，并且大量使用光电传感器要占用过多的CPU的I/O端口资源；另一方面，若要对小车在行驶时实现提前校正，只用光电传感器无论是在精度上，还是在安装定位上都存在困难。而CCD图像传感器的分辨率远高过前者——大约都在300线以上，并且由于CCD采集到的是图像信息，通过它还可以得到道路的方向及曲率等几何信息。我们可以通过对采集到的图像信号进行处理，得到准确的路面信息，达到有效的控制。但CCD的难点在于信号采集速率受单片机AD转换速度限制，图像存储空间有限，以及图像处理算法复杂等。但综合分析比较，可以将两者在系统设计中结合起来，能够在一定程度上达到互补的效果。系统硬件方案分析硬件设计需求，我们的设计要求是：模块化，这样做一方面是为了便于安装和拆卸，对于一个微小型的基本系统来说，系统电路的尺寸和安装位置对整个系统的整体性能是有一定影响的。另一个最主要的原因是，利用模块化设计思想，将各功能模块的电路独立制版，有利于我们对所提出的多种方案的进行组合和验证。简单化，这里的意思是指尽量使用现成的功能元器件模块和设计方案，以便简化系统外围电路的设计，使得时间更多的投入到算法设计及软件编制中。同时这也是为了使系统可靠其间。但是一些重要的环节还是不能省的。外形、尺寸同小车机械结构统一化。由于比赛要求给整个智能车供电的电源只有一块2000mA/h的7.2V的可充电池，电源有限，故设计要考虑到将电路的功耗控制到一个较低水平。根据上述总体设计思想，其相应的硬件结构框图如下图所示。电源系统、控制单元、驱动单元等3方面的内容。其中外接电源为大赛统一提供的7.2V可充电电池，电源电路为防止短路等故障发生，须在设计中考虑短路过流保护。控制单元主要由S12单片机以及相应的逻辑电路构成，其中对小车所进行的所有控制均通过以该单片机为核心的控制电路进行。另外我们设计了一个编码器用于反馈速度信号，形成速度闭环控制。MCUMCUMC9SDG128BAD转换同步分离CCD驱动器电机光电编码盘光电开关传感器舵机控制驱动供电电源电源电压系统5V光电码盘5V舵机5V电机信号采集CCD12V光电开关5V图1系统硬件框图各功能模块设计如下：1）循线传感器信号采集模块光电开关由于光电开关输出信号容易受到环境光线干扰，故我们使用带有施密特触发器的非门电路74LS14把光电对管输出信号进行处理，使得经过非门电路的信号反相延时后符合单片机的输入要求，保证单片机能够正确处理。CCD在对路面信息的检测方面，在CCD的应用中，除供电部分外，硬件方面主要考虑这几方面：驱动、同步分离、AD转换等部分。电源模块供电部分包括对单片机系统供电，对舵机、电机供电、对传感器供电等部分。我们采取用两片7805将输出电压在7.2V以上的电源的稳在5V，一个对单片机系统及光电传感器进行供电，另一片单独对舵机供电。其典型应用如下图：对于CCD来说，它的电压工作电压为12V，我们采取PWM斩波升压电路。其典型应用如下图为：图2斩波升压电路通过计算，有Vout=Vin*1/(1-a);其中a为占空比，可以知道若Vin=5V,那么a=0.58，输出电压为12V．这里的FET选用的是IRFR2807。速度检测模块数字光电编码器是我们自制的，码盘光栅为36线，将其固定在小车车后轴上能有效的检测小车行使速度。其检测电路如下所示：图3光电对管检测电路图4自制光电码盘作为光电对管，其信号检测原理与前述光电开关管相同。发射管阴极下拉电阻为270Ω、接收管的上拉电阻为510K。由于接收管输出信号容易受到环境光线干扰，故我们使用带有施密特触发器的非门电路74LS14对光电对管输出信号进行整形处理，使得经过非门电路的信号反相延时后符合单片机接口对信号的输入要求，以保证单片机接口能准确的采集到信号。当小车电机带动车轴转动起来时，固定在车轴上的码盘随之转动，当发射管发出的红外光透过光栅镂空的透光缝，接收管接收到光信号后整形输出高电平，再经7414反相延时后输出稳定的脉冲信号。码盘每转动一圈输出36个脉冲信号。单片机对此脉冲信号进行处理后就能够得到小车当前行驶速度。图像处理算法图像处理的算法是采用动态阈值比较对信号进行二值化处理，得到每行中心线的水平信息，然后通过拟合参数得到中心线在图像坐标系中的位置、方向及曲率等信息。采用的方法主要有三个：1、直线的拟合2、圆周的拟合3、“S”曲线的拟合其中，直线的拟合为基础，方法如下：按照普通方法设直线方程为，下图一幅典型的CCD拍摄的赛道图像二值化处理之后的得到的图像为例：图5赛道图像连接任意相邻的两个点得到一个斜率，通过斜率的变化分别简单判断当前是直线，圆周还是S曲线，从而得到相应算法．系统控制核心算法结构我们的设计是基于光电传感器和CCD结合的信号检测方案。光电传感器操作简单，控制周期短，但其赛道分辨率低，识别到的道路信息量比较少，前瞻性差，且易受环境光线干扰；而CCD则不存在这些问题，然而，CCD却有着在检测和处理时速度相对较低的缺点。我们在软件设计中综合了两者的特点，使整个系统在这两方面达到一定的互补效果。程序算法结构包括图像采集、图像处理、光电开关识别，辨识并提取信息、PID控制等模块。实际的应用中是以CCD为主，以光电管为辅的方法．通过光电管来校正CCD的信号检测不足。其软件流程图如下所示：CCD图像检测数据拟合是否为CCD图像检测数据拟合是否为错误状态光电管检测是特殊曲线算法一般算法是否为特殊曲线是否否图6结论经试验验证，我们的方案是可行的，并且经参数调节后，能够达到较好的成绩。且行驶状态稳定，程序运行可靠。但仍需进一步测试以提高成绩。

参考文献[1]黄开胜金华民蒋狄南韩国智能模型车技术方案分析电子产