攝像頭循跡智能平衡小車

1、攝像頭循跡智能平衡小車付國棟，胡健軍，王杰（哈爾濱工程大學自動化學院 哈爾濱 黑龍江 ）摘要： 攝像頭循跡智能平衡小車是使用MK60DN512ZVLQ10微處理器和CCD攝像頭配合來實現(xiàn)在跑道上的自動循跡，識別黑白線，直道和彎道的加減速行駛。小車是機械系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)配合軟件系統(tǒng)實現(xiàn)運行的復雜整體，硬件系統(tǒng)有電源管理模塊，最小控制系統(tǒng)模塊，圖像采集識別處理模塊，陀螺儀加速度計角度測量模塊，電機驅(qū)動模塊，編碼器測速模塊；軟件系統(tǒng)包括小車的直立平衡控制，速度與方向的PID控制，角度測量的卡爾曼互補濾波算法，信息（賽道圖像，車輪轉(zhuǎn)速）采集程序；機械系統(tǒng)方面，各模塊的安裝，優(yōu)化改進也是攝像頭循跡智能平衡

2、小車平穩(wěn)運行的關鍵部分。關鍵詞：MK60DN512ZVLQ10微處理器，圖像采集識別處理，PID控制，卡爾曼互補濾波Smart balanced car of tracking by cameraFU Guodong, HU Jian jun, WANG Jie （College of Automation, Harbin Engineering University , Harbin, Heilongjiang ）Abstract: Smart balanced car of tracking by camera realizes automatic track in runway, rec

3、ognizes black and white line, acceleration and deceleration of speed by using microprocessor MK60DN512ZVLQ10 and CCD camera. Smart car is a complex system concluding mechanical system, hardware system and software system; the hardware system has power module, minimum control system, the module of ga

4、thering, recognizing and processing image, the module of measuring angle by gyroscope and accelerometer, the module of driving motor, the module of measuring speed by encoder; the software system is composed of upright and balanced controls procedure, speed and directions PID controls procedure, kal

5、men complementary filtering algorithms, and procedure of gathering information like the runways image and the wheels speed. And every modules installation, optimizing and improvement in mechanical system is also a key part that makes smart car move stably. Key words: Microprocessor MK60DN512ZVLQ10,

6、gathering, Recognizing and processing of image, PID control, Kalmen complementary filtering1.引言全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽是以“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵探索、追求卓越”為宗旨，鼓勵創(chuàng)新的一項科技競賽活動賽。智能汽車競賽的賽道路面為寬度不小于45cm的白色面板，賽道兩側(cè)邊沿有寬為25mm的連續(xù)黑線作為引導線。參賽隊員的目標是模型汽車需要按照規(guī)則以最短時間完成單圈賽道。本文結(jié)合我們小組參與“飛思卡爾”智能車的競賽經(jīng)歷，講述了攝像頭循跡的智能平衡小車系統(tǒng)整體設計，制作及實現(xiàn)的整個過程，旨在探索實現(xiàn)

7、小車平穩(wěn)運行的更加合理穩(wěn)定的機械結(jié)構，硬件電路和算法程序。2.總體設計 MK60DN256ZVLL10微處理器通過采集CCD攝像頭的硬件二值化信號，獲得小車賽道邊緣信息；通過采集陀螺儀加速度計姿態(tài)傳感器的信號，經(jīng)過互補濾波后，實時獲得小車的傾角；通過光電編碼器脈沖計數(shù)后，獲得小車速度數(shù)據(jù)。通過微處理器對賽道圖像的處理，對小車速度和方向的PID控制，最后輸出PWM波控制直流電機，實現(xiàn)小車的平衡，轉(zhuǎn)向，速度控制和智能循跡。在調(diào)試過程中，通過無線傳輸模塊和上位機，獲得小車傾角等狀態(tài)數(shù)據(jù)。3.機械結(jié)構 智能小車的控制是在合理的機械結(jié)構基礎上實現(xiàn)的，良好的機械結(jié)構才能保證小車系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應性，對平衡

8、小車，機械要求更高。因此在設計小車硬件，軟件系統(tǒng)之前，應對小車的整體結(jié)構有清晰的認識，分析結(jié)構特點，結(jié)合數(shù)學模型改善小車的結(jié)構。3.1車模的調(diào)整 1)車輪嚙合調(diào)整。齒輪傳動部分安裝位置不恰當，會增大電機的驅(qū)動負載，影響小車的速度。調(diào)整原則：兩傳動齒輪的軸間保持平行，齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊則增大電機的阻力，因此合適的嚙合度至關重要，實際測試在70%左右。 2）在賽道中設置有坡道，因此攝像頭的安裝位置不能過低，過低會造成信息采集的丟失。安裝位置過高，在彎度比較大的賽道，會使小車受的離心力比較大，容易沖出賽道。調(diào)整方法：改變小車的傾角，在45度左右，降低小車的重心，增大小車過

9、彎道時的穩(wěn)定性。同時我們采用碳纖板固定在小車的底板上，增大了小車的剛性，使攝像頭的安裝位置在小車運動過程中不會與小車底板產(chǎn)生相對位移，增加了圖像采集信息的準確性。3.2陀螺儀加速度計的安裝 陀螺儀使用ENC-01，加速度計使用MMA7361，它們是表貼的元件，固定在同一塊電路板上。將這塊帶有陀螺儀加速度計的電路板固定在整個小車的質(zhì)心位置，可以最大程度減小車模運行時前后振動對小車傾角測量的影響。安裝角度傳感器電路板上應保持陀螺儀水平安裝。因為在小車在彎道運行時，同時存在轉(zhuǎn)動和平動，陀螺儀安裝位置不是水平，轉(zhuǎn)動就會在陀螺儀的Z軸方向產(chǎn)生分量，影響小車的運行速度。圖1 陀螺儀加速度計的安裝3.3電池

10、的安裝 由于是兩輪平衡小車，對小車的運行穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向的靈活性都提出了更高的要求，因此我們盡可能地降低小車的重心，將電池安裝在小車的底部。圖2 電池的安裝3.4攝像頭支架的安裝 為了最大程度減小攝像頭支架安裝對小車整體平衡的影響，選用了質(zhì)地堅硬且重量小的碳素桿作為支架，同時用兩個小的碳素桿作為支撐，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以減小車模震動對攝像頭的影響。圖3 攝像頭支架的安裝3.5編碼器的安裝 采用增量式編碼器實現(xiàn)對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的檢測，通過齒輪傳動的方式使編碼器測速齒輪與電機軸上的齒輪嚙合，來獲得小車的運行速度。圖4 編碼器的安裝4.硬件電路4.1 K60為核心的最小系統(tǒng)板 單片機系統(tǒng)板使用K60單片機

11、為了減小空間，將單片機最小系統(tǒng)板直接接到主板電路上。圖5 K60芯片引腳分配4.2.電源穩(wěn)壓電路本系統(tǒng)中電源穩(wěn)壓電路有4路，由鋰電池提供的7.2V電壓，LM2576-5穩(wěn)壓電路為直流電機供電，另一路5V為測速電路和部分芯片供電，兩路5V分開為防止電機驅(qū)動電路對圖像信號處理電路的影響；3.3V穩(wěn)壓電路為最小系統(tǒng)板，陀螺儀加速度傳感器電路供電；B0512 12V升壓電路為CCD攝像頭供電。圖6 電源穩(wěn)壓電路4.3視頻同步分離電路 我們的智能車使用黑白CCD攝像頭對賽道信息進行采集。攝像頭視頻信號中除了包含圖像信號之外，還有場同步信號、場消隱信號、行同步信號、行消隱信號等等。因為，要對頻率信號進行處

12、理，就必須通過視頻同步分離電路準確地把握各種信號間的邏輯關系。我們使用 LM1881 芯片對視頻信號進行同步分離，得到場同步信號與行同步信號。圖7 視頻同步分離電路4.4片外AD電路K60 單片機自身具有A/D轉(zhuǎn)換功能，但是受到時鐘總線頻率的限制，其轉(zhuǎn)換速度很慢。因此，我們使用TLC5510芯片作為片外A/D，K60單片機通過IO口進行圖像數(shù)據(jù)采集，它提供最大20Msps的采樣頻率。使用片外A/D后，受到IO口讀取數(shù)據(jù)的限制，每行圖像可以采集到120個有效點，使圖像的行分辨率提高了一倍。圖8 片外AD電路4.5電機驅(qū)動電路對于電機驅(qū)動電路，可有多種選擇，像專用電機驅(qū)動芯片MC33886、LM2

13、98、BTS7960、BTS7971等，在運動過程中需要用H橋的全橋電路才能及時剎車，減速入彎，我們采用芯片BTS7971構成H橋來驅(qū)動電機。下圖展示的是一路PWM波控制電機一個電機一個方向轉(zhuǎn)動的驅(qū)動電路，通過改變PWM波的占空比和相位來分別控制兩輪的正反方向轉(zhuǎn)動。圖9 電機驅(qū)動電路4.6陀螺儀加速度計傳感器接口電路 陀螺儀ENC-03，加速度計MMA7361，均是集成在一塊電路板上的，因此我們只需設計它們的接口電路。圖10 陀螺儀加速度計接口電路4.7鍵盤撥碼電路 由于不同賽道與車輪之間的摩擦力差別較大，因此需要根據(jù)實際情況調(diào)整參數(shù)。另外，不同速度下的參數(shù)也需要外部輸入。因此我們專門設計了一

14、個液晶調(diào)試模塊，配合按鍵便可以對軟件參數(shù)進行靈活修改.圖11 鍵盤撥碼電路4.8測速電路圖12 測速電路4.9攝像頭我們對CCD攝像頭和CMOS攝像頭進行了對比。CMOS攝像頭動態(tài)圖像差，智能車在高速行駛時，圖像模糊，不利于黑線的提取。CCD攝像頭雖然工作電壓為12V，且相對功率大，但圖像對比度高，動態(tài)特性好，因此我們選取了CCD攝像頭。5.軟件系統(tǒng)設計5.1 圖像處理5.1.1圖像采集為了提高分辨率，采用片外采AD電路TLC5510電路采集數(shù)據(jù)，每行可采集230點，這樣我們即使將攝像頭前瞻提高到1.7m也能精確地提取到黑色引導線，在兼顧道路信息和處理時間的前提下，提取45行進行處理，將攝像頭

15、提取到的數(shù)據(jù)存于二維數(shù)組dataij。5.1.2黑線提取 黑線提取實際上是一種圖像分割技術。圖像分割指圖像分成各具特性的區(qū)域并提取出感興趣目標的過程，是一種基本的計算機視覺技術。只有在圖像分割的基礎上才能對目標進行特征提取和參數(shù)測量，使得更高層的圖像分析和理解成為可能。由攝像頭得到的圖像實際上是一幅灰度圖像，可以將圖像分為幾個區(qū)域，區(qū)域內(nèi)部的灰度具有灰度相似性，而在區(qū)域邊界上一般具有灰度不連續(xù)性，因此灰度圖像分割一般可分為利用區(qū)域內(nèi)灰度相似性的基于區(qū)域的方法和利用區(qū)域間灰度不連續(xù)性的基于邊界的方法，分別稱為閾值法和邊界法。閾值法是一種最常用的方法，基本思想是利用閾值來區(qū)分不同目標的灰度值，從而

16、提取目標。對于攝像頭而言，黑線部分灰度值小，白板灰度值大，設閾值為limit，若滿足dataij limit，則該點為黑線點，由此可以提取到黑色引導線。閾值法的優(yōu)點是算法簡單，提取黑線，識別三角形、起始道具有一定的優(yōu)勢，缺點是易于受場地光線干擾。邊界法基于邊界的分割方法是利用不同區(qū)域間象素灰度不連續(xù)的特點檢測出區(qū)域間的邊緣，從而實現(xiàn)圖像分割。對于攝像頭提取到的黑線而言，利用白板與黑線灰度值的差異來提取黑線，這一方法的優(yōu)點是抗干擾性強，光線強度在一定范圍內(nèi)變化，對黑線提取基本上沒有任何影響，但是算法相對較復雜 。結(jié)合上述兩種方法的優(yōu)點，我們采用動態(tài)閾值的方法來提取黑線。圖13 跑道黑線提取流程圖

17、5.2控制算法5.2.1直立控制 通過控制車輪轉(zhuǎn)動，抵消小車在一個維度上傾斜的趨勢便可以保持車體平衡.由此可以知道車模的平衡需要一下兩點:(1)能夠精確測量車模傾角的大小和角速度的大小；(2)可以控制車輪的加速度圖14 小車直立控制示意圖 因此我們采用陀螺儀加ENC-03,加速度計MMA7361兩種傳感器配合使用，分別測量小車的傾角和角加速度。陀螺儀測得值存在溫漂，加速度計的動態(tài)值不可靠，因此我們采用互補濾波算法，使兩者結(jié)合測量小車的傾角。但如果陀螺儀的采樣值不好，或者AD轉(zhuǎn)換參考電壓不穩(wěn)導致陀螺儀靜態(tài)參考值發(fā)生變化，互補濾波沒有對其進行修正，最終使得實際速度與預定速度存在偏差，因此最終我們采

18、用卡爾曼濾波先對陀螺儀的靜態(tài)值進行修正，然后采用互補濾波測得小車傾角。 圖15 陀螺儀角速度計測量角度框圖5.2.2速度與方向的PID控制 PID控制器（比例-積分-微分控制器），由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成，通過Kp，K和Kd三個參數(shù)的設定來控制系統(tǒng)PID，控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。圖16 PID控制框圖1）速度控制采用的PI。速度控制的效果不僅取決于PI參數(shù)，關鍵在于直立部分的的調(diào)整，如果直立方面PD都較大，即車調(diào)節(jié)的很“硬”，那么在速度調(diào)節(jié)時將會容易些，但是過硬會導致車的抗干擾能力變?nèi)酰≤嚾菀资Э?。若直立方面PD調(diào)的較小，即車調(diào)節(jié)的很“軟”，則小

19、車的抗干擾能力很強，但速度控制時，響應速度變慢。其次，速度控制會影響直立，所以每次的輸出可以經(jīng)行限制幅度等處理，使車更平穩(wěn)，同時速度環(huán)在積分項中，可以分離出來采取與限制削弱法，于此同時為了使車起跑超調(diào)量小些，預設速度方面采用了逐步加的形式。 2）方向控制。用偏差分別與車模速度控制信號進行加和減，形成左右輪差動控制電壓，使得車模左右車輪運行角速度不一致進而控制車模方向。 圖17 小車速度方向控制原理圖通過左右電機速度差驅(qū)動車模轉(zhuǎn)向消除車模距離道路中心的偏差。通過調(diào)整車模的方向，再加上車前行運動，可以逐步消除車模距離中心線的距離差。這個過程是一個積分過程，因此車模差動控制一般只需要進行簡單的比例控

20、制就可以完成車模方向控制。但是由于車模本身安裝有電池等比較重的物體，具有很大的轉(zhuǎn)動慣量，在調(diào)整過程中會出現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向過沖現(xiàn)象，如果不加以抑制，會使得車模沖出賽道。根據(jù)前面角度和速度控制的經(jīng)驗，為了消除車模方向制中的過沖，需要增加微分控制。微分控制就是根據(jù)車模方向的變化率對電機差動控制量進行修正的控制方式，因此需要增加車模的轉(zhuǎn)動速度檢測傳感器。6.小車整體調(diào)試6.1開發(fā)環(huán)境程序開發(fā)通過IAR Embedded Workbench IDE進行，Embedded Workbenchfor ARM是IAR Systems公司為ARM微處理器開發(fā)的一個集成開發(fā)環(huán)境(下面簡稱 IAR EWARM)。比較其他的ARM開發(fā)環(huán)境，IAR EWARM具有入門容易、用方便和代碼緊湊等特點。EWARM 中包含一個全軟件的模擬程序(sim