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(xué)自動(dòng)化學(xué)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(shí)現(xiàn)在跑道上的自動(dòng)循跡，識(shí)別黑白線，直道和彎道的加減速行駛。小車是機(jī)械系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)配合軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的復(fù)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(shí)別處理模塊，陀螺儀加速度計(jì)角度測(cè)量模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，編碼器測(cè)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(cè)量的卡爾曼互補(bǔ)濾波算法，信息（賽道圖像，車輪轉(zhuǎn)速）采集程序；機(jī)械系統(tǒng)方面，各模塊的安裝，優(yōu)化改進(jìn)也是攝像頭循跡智能平衡

2、小車平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵部分。關(guān)鍵詞：MK60DN512ZVLQ10微處理器，圖像采集識(shí)別處理，PID控制，卡爾曼互補(bǔ)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(xué)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(lì)探索、追求卓越”為宗旨，鼓勵(lì)創(chuàng)新的一項(xiàng)科技競賽活動(dòng)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(dǎo)線。參賽隊(duì)員的目標(biāo)是模型汽車需要按照規(guī)則以最短時(shí)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(shè)計(jì)，制作及實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過程，旨在探索實(shí)現(xiàn)

7、小車平穩(wěn)運(yùn)行的更加合理穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，硬件電路和算法程序。2.總體設(shè)計(jì) MK60DN256ZVLL10微處理器通過采集CCD攝像頭的硬件二值化信號(hào)，獲得小車賽道邊緣信息；通過采集陀螺儀加速度計(jì)姿態(tài)傳感器的信號(hào)，經(jīng)過互補(bǔ)濾波后，實(shí)時(shí)獲得小車的傾角；通過光電編碼器脈沖計(jì)數(shù)后，獲得小車速度數(shù)據(jù)。通過微處理器對(duì)賽道圖像的處理，對(duì)小車速度和方向的PID控制，最后輸出PWM波控制直流電機(jī)，實(shí)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(jī)，獲得小車傾角等狀態(tài)數(shù)據(jù)。3.機(jī)械結(jié)構(gòu) 智能小車的控制是在合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)才能保證小車系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，對(duì)平衡

8、小車，機(jī)械要求更高。因此在設(shè)計(jì)小車硬件，軟件系統(tǒng)之前，應(yīng)對(duì)小車的整體結(jié)構(gòu)有清晰的認(rèn)識(shí)，分析結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型改善小車的結(jié)構(gòu)。3.1車模的調(diào)整 1)車輪嚙合調(diào)整。齒輪傳動(dòng)部分安裝位置不恰當(dāng)，會(huì)增大電機(jī)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載，影響小車的速度。調(diào)整原則：兩傳動(dòng)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(jī)的阻力，因此合適的嚙合度至關(guān)重要，實(shí)際測(cè)試在70%左右。 2）在賽道中設(shè)置有坡道，因此攝像頭的安裝位置不能過低，過低會(huì)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(huì)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(shí)的穩(wěn)定性。同時(shí)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(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)與小車底板產(chǎn)生相對(duì)位移，增加了圖像采集信息的準(zhǔn)確性。3.2陀螺儀加速度計(jì)的安裝 陀螺儀使用ENC-01，加速度計(jì)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(jì)的電路板固定在整個(gè)小車的質(zhì)心位置，可以最大程度減小車模運(yùn)行時(shí)前后振動(dòng)對(duì)小車傾角測(cè)量的影響。安裝角度傳感器電路板上應(yīng)保持陀螺儀水平安裝。因?yàn)樵谛≤囋趶澋肋\(yùn)行時(shí)，同時(shí)存在轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，陀螺儀安裝位置不是水平，轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)在陀螺儀的Z軸方向產(chǎn)生分量，影響小車的運(yùn)行速度。圖1 陀螺儀加速度計(jì)的安裝3.3電池

10、的安裝 由于是兩輪平衡小車，對(duì)小車的運(yùn)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(duì)小車整體平衡的影響，選用了質(zhì)地堅(jiān)硬且重量小的碳素桿作為支架，同時(shí)用兩個(gè)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(dòng)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，通過齒輪傳動(dòng)的方式使編碼器測(cè)速齒輪與電機(jī)軸上的齒輪嚙合，來獲得小車的運(yùn)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(jī)系統(tǒng)板使用K60單片機(jī)

11、為了減小空間，將單片機(jī)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(jī)供電，另一路5V為測(cè)速電路和部分芯片供電，兩路5V分開為防止電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)圖像信號(hào)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(duì)賽道信息進(jìn)行采集。攝像頭視頻信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還有場(chǎng)同步信號(hào)、場(chǎng)消隱信號(hào)、行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)等等。因?yàn)?，要?duì)頻率信號(hào)進(jìn)行處

12、理，就必須通過視頻同步分離電路準(zhǔn)確地把握各種信號(hào)間的邏輯關(guān)系。我們使用 LM1881 芯片對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行同步分離，得到場(chǎng)同步信號(hào)與行同步信號(hào)。圖7 視頻同步分離電路4.4片外AD電路K60 單片機(jī)自身具有A/D轉(zhuǎn)換功能，但是受到時(shí)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(jī)通過IO口進(jìn)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(gè)有效點(diǎn)，使圖像的行分辨率提高了一倍。圖8 片外AD電路4.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，可有多種選擇，像專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886、LM2

13、98、BTS7960、BTS7971等，在運(yùn)動(dòng)過程中需要用H橋的全橋電路才能及時(shí)剎車，減速入彎，我們采用芯片BTS7971構(gòu)成H橋來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。下圖展示的是一路PWM波控制電機(jī)一個(gè)電機(jī)一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)。圖9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4.6陀螺儀加速度計(jì)傳感器接口電路 陀螺儀ENC-03，加速度計(jì)MMA7361，均是集成在一塊電路板上的，因此我們只需設(shè)計(jì)它們的接口電路。圖10 陀螺儀加速度計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)了一

14、個(gè)液晶調(diào)試模塊，配合按鍵便可以對(duì)軟件參數(shù)進(jìn)行靈活修改.圖11 鍵盤撥碼電路4.8測(cè)速電路圖12 測(cè)速電路4.9攝像頭我們對(duì)CCD攝像頭和CMOS攝像頭進(jìn)行了對(duì)比。CMOS攝像頭動(dòng)態(tài)圖像差，智能車在高速行駛時(shí)，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(duì)功率大，但圖像對(duì)比度高，動(dòng)態(tài)特性好，因此我們選取了CCD攝像頭。5.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(dǎo)線，在兼顧道路信息和處理時(shí)間的前提下，提取45行進(jìn)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(shí)際上是一種圖像分割技術(shù)。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(biāo)的過程，是一種基本的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)。只有在圖像分割的基礎(chǔ)上才能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行特征提取和參數(shù)測(cè)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(shí)際上是一幅灰度圖像，可以將圖像分為幾個(gè)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(biāo)的灰度值，從而

16、提取目標(biāo)。對(duì)于攝像頭而言，黑線部分灰度值小，白板灰度值大，設(shè)閾值為limit，若滿足dataij limit，則該點(diǎn)為黑線點(diǎn)，由此可以提取到黑色引導(dǎo)線。閾值法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡單，提取黑線，識(shí)別三角形、起始道具有一定的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是易于受場(chǎng)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(diǎn)檢測(cè)出區(qū)域間的邊緣，從而實(shí)現(xiàn)圖像分割。對(duì)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(diǎn)是抗干擾性強(qiáng)，光線強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)變化，對(duì)黑線提取基本上沒有任何影響，但是算法相對(duì)較復(fù)雜 。結(jié)合上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，我們采用動(dòng)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(dòng)，抵消小車在一個(gè)維度上傾斜的趨勢(shì)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(diǎn):(1)能夠精確測(cè)量車模傾角的大小和角速度的大??；(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(jì)MMA7361兩種傳感器配合使用，分別測(cè)量小車的傾角和角加速度。陀螺儀測(cè)得值存在溫漂，加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)值不可靠，因此我們采用互補(bǔ)濾波算法，使兩者結(jié)合測(cè)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(dǎo)致陀螺儀靜態(tài)參考值發(fā)生變化，互補(bǔ)濾波沒有對(duì)其進(jìn)行修正，最終使得實(shí)際速度與預(yù)定速度存在偏差，因此最終我們采

18、用卡爾曼濾波先對(duì)陀螺儀的靜態(tài)值進(jìn)行修正，然后采用互補(bǔ)濾波測(cè)得小車傾角。 圖15 陀螺儀角速度計(jì)測(cè)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(gè)參數(shù)的設(shè)定來控制系統(tǒng)PID，控制器主要適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)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(guān)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(shí)將會(huì)容易些，但是過硬會(huì)導(dǎo)致車的抗干擾能力變?nèi)?，小車容易失控。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(qiáng)，但速度控制時(shí)，響應(yīng)速度變慢。其次，速度控制會(huì)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(shí)速度環(huán)在積分項(xiàng)中，可以分離出來采取與限制削弱法，于此同時(shí)為了使車起跑超調(diào)量小些，預(yù)設(shè)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(hào)進(jìn)行加和減，形成左右輪差動(dòng)控制電壓，使得車模左右車輪運(yùn)行角速度不一致進(jìn)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(jī)速度差驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，可以逐步消除車模距離中心線的距離差。這個(gè)過程是一個(gè)積分過程，因此車模差動(dòng)控制一般只需要進(jìn)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(dòng)慣量，在調(diào)整過程中會(huì)出現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向過沖現(xiàn)象，如果不加以抑制，會(huì)使得車模沖出賽道。根據(jù)前面角度和速度控制的經(jīng)驗(yàn)，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(duì)電機(jī)差動(dòng)控制量進(jìn)行修正的控制方式，因此需要增加車模的轉(zhuǎn)動(dòng)速度檢測(cè)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(jìn)行，Embedded Workbenchfor ARM是IAR Systems公司為ARM微處理器開發(fā)的一個(gè)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(diǎn)。EWARM 中包含一個(gè)全軟件的模擬程序(sim