基于攝像頭的智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-

1、103科技資訊科技資訊SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION 2009NO.26SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION工業(yè)技術(shù)“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽已舉辦多屆,此項(xiàng)賽事專業(yè)知識(shí)涉及控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科,旨在加強(qiáng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作精神和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。根據(jù)大賽組委會(huì)要求,賽道由白色底板和黑色引導(dǎo)線組成,可以通過光電傳感器和攝像頭兩種方案對(duì)黑線進(jìn)行尋跡,在這兩種方案中,采用的控制器都是由組委會(huì)指定的。本文討論的是基于攝像頭方案的智能車控制系統(tǒng),系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、重量輕和前瞻遠(yuǎn)

2、等特點(diǎn),保障了小車在高速運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定性和急轉(zhuǎn)彎時(shí)不沖出賽道。1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)硬件總體框架系統(tǒng)硬件總體框架如圖1所示,以摩托羅拉公司的16位單片機(jī)MC9S12XS128MA A為控制核心,外圍擴(kuò)展5V/6V電源電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及撥碼開關(guān)輸入和LE D顯示等電路。其中,電源電路中的5V給單片機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像頭OV6620供電,6V給舵機(jī)S3010供電,采用6V供電可以提高舵機(jī)的反應(yīng)速度。1.2電源電路電源電路產(chǎn)生5V和6V兩路直流電壓。其中,5V 由電池電壓通過低壓差穩(wěn)壓器LM2940穩(wěn)壓到5V輸出;6V由LM1117-ADJ 產(chǎn)生。具體的電源電路如圖2所示。1.3圖像采集電路賽道黑色

3、引導(dǎo)線的采集由數(shù)字?jǐn)z像頭OV6620來實(shí)現(xiàn),該攝像頭采用5V供電,與系統(tǒng)主控芯片供電電壓相同,省略了一般模擬攝像頭需要的12V供電電路。OV6620直接輸出8位亮度信號(hào),無需A/D轉(zhuǎn)換,同時(shí)輸出場(chǎng)同步、行同步等信號(hào),可直接與單片機(jī)的I/O和中斷輸入引腳相連。實(shí)際使用時(shí),亮度信號(hào)Y7Y0連接到PB7PB0;場(chǎng)同步信號(hào)連接到PH7;行同步信號(hào)連接到PH6。在軟件設(shè)計(jì)時(shí),場(chǎng)同步信號(hào)采用軟件查詢,行同步信號(hào)產(chǎn)生中斷,在中斷服務(wù)程序中,讀取亮度信號(hào),即賽道信息。1.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用組委會(huì)推薦的專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886,驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。其中,V1+接電池正極;VCC接系統(tǒng)+

4、5V;OUT1和OUT2接直流電機(jī);PWM0和PWM1控制MC33886輸出不同的直流電壓。為了增強(qiáng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力,采用兩片MC33886相并聯(lián),另外一片MC33886的連接與圖3完全相同。兩片MC33886的IN1和IN2腳由同一PWM0和PWM1分別控制,通過控制PWM的占空比和極性,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)小車在跑道上的加速、減速和反向制動(dòng)。1.5測(cè)速電路為了提高速度檢測(cè)的精度和準(zhǔn)度,本系統(tǒng)采用了歐姆龍E6A2系列光電編碼器作為測(cè)速模塊,該編碼器每轉(zhuǎn)一圈輸出200個(gè)脈沖信號(hào),完全滿足高精度測(cè)速的要求。將編碼器的脈沖輸出連接到MC9S12XS128MAA的PT7脈沖

5、捕獲引腳,采用16位脈沖累加器對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù),從而確定小車的運(yùn)行速度。1.6人機(jī)接口電路人機(jī)接口由撥碼開關(guān)和LED數(shù)碼管顯示兩部分組成。LED數(shù)碼管主要用于小車調(diào)試時(shí),顯示一些系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù),它由單片機(jī)的I/O口直接驅(qū)動(dòng),為了降低系統(tǒng)功耗,在單片機(jī)的I/O口與數(shù)碼管的位段之間串入了限流電阻。撥碼開關(guān)用于設(shè)置一些重要的參數(shù),如小車的直道速度、彎道速度等,撥碼開關(guān)非常必要,在實(shí)際比賽時(shí),往往需要根據(jù)試跑結(jié)果,通過撥碼開關(guān)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置,大大提高了系統(tǒng)的靈活性。2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1黑線位置識(shí)別算法小車前方的跑道信息由數(shù)字?jǐn)z像頭OV6620采集,如何根據(jù)采集到的大量數(shù)據(jù)確定黑線位置,這就涉及到路

6、徑識(shí)別問題。由于今年跑道的底板顏色不一定是白色的,有可能是藍(lán)色、黃色的或是黑色的,因此路徑識(shí)別算法非常重要,否則有可能將跑道底板認(rèn)為是黑色引導(dǎo)線。根據(jù)采集到的某行數(shù)據(jù),以確定其黑線位置為例,本系統(tǒng)采用的黑線位置識(shí)別算法大致過程為:從采集到的某行數(shù)據(jù)的中心位置開始,首先判斷該中心點(diǎn)是否為黑點(diǎn),如果是,則從該中心點(diǎn)先向右依次搜索白點(diǎn),若搜到,記下最后一個(gè)黑點(diǎn)位置,假設(shè)為black_r;若搜索不到白點(diǎn),該行數(shù)據(jù)作廢,算法結(jié)束。若搜索到白點(diǎn),則再從該中心點(diǎn)向左依次搜索白點(diǎn),同樣若搜索到白點(diǎn),記下最后一個(gè)黑點(diǎn)位置,假設(shè)為black_l;若搜索不到白點(diǎn),該行數(shù)據(jù)作廢,算法結(jié)束。在該行數(shù)據(jù)有效的情況下,其黑

7、線中心位置為(black_r +black_l/2。第二種情況,中心點(diǎn)為白點(diǎn)。從該中心點(diǎn)往右開始,搜索白到黑和黑到白邊緣,若出現(xiàn)這兩種邊緣則記下兩端黑點(diǎn)位置,假設(shè)分別為black_l和black_r,算法結(jié)束。若只出現(xiàn)白到黑或是全白,則從該中心點(diǎn)向左開始搜索白到黑和黑到白邊緣,若出現(xiàn)記下兩端黑點(diǎn)位置,若不出現(xiàn),則該行數(shù)據(jù)無效,算法結(jié)束。在該行數(shù)據(jù)有效的情況下,其黑線中心位置也為(black_r+black_l/2。2.2轉(zhuǎn)向與速度控制算法依據(jù)黑線位置識(shí)別算法可以得到所有行與中心點(diǎn)的偏差,然后通過最小二乘法,基于攝像頭的智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)王文杰凌六一(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院安徽淮南23

8、2001摘要:介紹了一種采用數(shù)字?jǐn)z像頭識(shí)別路徑的智能車控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)MC9S12XS128為控制核心,給出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)、速度檢測(cè)和電源等電路的硬件設(shè)計(jì)以及路徑識(shí)別算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,路徑識(shí)別算法可行,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。關(guān)鍵詞:智能車路徑識(shí)別攝像頭中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章 編號(hào) :1672-3791(200909(b-0103-02 圖 1 系統(tǒng)硬件總體框架圖2系統(tǒng)電源電路104科技資訊 科技資訊SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2009NO.26SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION工業(yè)技術(shù)完全可滿足級(jí)導(dǎo)線

9、點(diǎn)(5”以下的規(guī)范精度要求。盡管GPSRTK測(cè)量的標(biāo)稱精度及實(shí)測(cè)精度完全滿足級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)5”點(diǎn)以下的規(guī)范精度要求,但目前的規(guī)范對(duì)利用GPSRTK 測(cè)量進(jìn)行級(jí)導(dǎo)線甚至更高的精度的控制測(cè)量,其采集數(shù)據(jù)的方法,數(shù)量等等還沒有明確的規(guī)定,因此還需要用大量的實(shí)踐來證實(shí)。實(shí)際測(cè)量中還必須采取足夠的檢核手段,確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。4建議(1RTK測(cè)量與靜態(tài)GPS測(cè)量相同,首先得到的是WGS84坐標(biāo),必須通過一定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系才能得到用戶坐標(biāo)系坐標(biāo),轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取精度對(duì)測(cè)量成果有很大影響,因此在實(shí)際應(yīng)用中首先應(yīng)注意起算點(diǎn)精度,特別應(yīng)注意采用一定的方法檢核起算點(diǎn)的相對(duì)精度;同時(shí),轉(zhuǎn)換參數(shù)有一定的區(qū)域性,它僅適用于起算點(diǎn)

10、所圈定的一定區(qū)域,外推精度隨距離增加降低明顯,因此在實(shí)際工作中應(yīng)盡量選擇能覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)且分布均勻的起算點(diǎn)。(2若已知起算點(diǎn)為靜態(tài)GPS控制網(wǎng)成果,可利用已有WGS84坐標(biāo)及用戶坐標(biāo)建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,這樣可節(jié)省采集起算點(diǎn)WGS84坐標(biāo)的時(shí)間、提高工作效率;但在利用原有成果時(shí)應(yīng)注意所采用的WGS84坐標(biāo)應(yīng)是在同一網(wǎng)平差中得到的,因?yàn)樗怯蓡吸c(diǎn)定位的WGS84坐標(biāo)推算得到的,只代表某個(gè)特定的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系。(3基準(zhǔn)站應(yīng)選擇位置較高的點(diǎn)位,這樣可明顯擴(kuò)大流動(dòng)站作業(yè)范圍,但根據(jù)筆者對(duì)多個(gè)工程成果的統(tǒng)計(jì)分析,基準(zhǔn)站與流動(dòng)站間的距離對(duì)測(cè)量成果有一定的影響,當(dāng)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站間的距離達(dá)到5km6km時(shí),兩次測(cè)得的

11、坐標(biāo)差值及相鄰點(diǎn)間距離與全站儀邊長(zhǎng)測(cè)量的成果差值超過5cm的明顯增多;筆者建議在采用RTK技術(shù)進(jìn)行控制測(cè)量時(shí),為保證成果的精度及可靠性,流動(dòng)站的作業(yè)半徑應(yīng)控制在5km以內(nèi);(4根據(jù)上述第一、第三點(diǎn),在采用RTK方式進(jìn)行較大區(qū)域控制測(cè)量時(shí)可將測(cè)區(qū)劃分成若干個(gè)工作區(qū);各工作區(qū)的劃分應(yīng)有一定的交叉,觀測(cè)時(shí)應(yīng)進(jìn)行相互檢核;也可以采用兩次工作區(qū)劃分不同的方式進(jìn)行觀測(cè)。(5在城市控制測(cè)量中,點(diǎn)位一般可埋設(shè)在建成的城市道路,選點(diǎn)時(shí)應(yīng)充分考慮使用的方便及安全,但同時(shí)應(yīng)盡量避開高壓線、高大建筑、電臺(tái)發(fā)射塔等;因此RTK方式不適合應(yīng)用于建筑密集的老城區(qū),而在新建開發(fā)區(qū)一般均能取得較好的效果,本文列舉的兩個(gè)工程實(shí)例

12、均是在這樣的測(cè)區(qū)完成的;另外,基準(zhǔn)站更應(yīng)避開高壓線、微波站、變電所等。(6RTK測(cè)量存在明顯的時(shí)間段影響,一般上午11點(diǎn)前、及下午3點(diǎn)之后測(cè)得的數(shù)據(jù)精度較好,在上述工程實(shí)例觀測(cè)時(shí),筆者曾嘗試在中午12點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),但很難達(dá)到解算狀態(tài),即使得到了坐標(biāo)成果,其可靠性往往也較低;建議不要在中午12點(diǎn)至14點(diǎn)間進(jìn)行RTK測(cè)量。5結(jié)語利用RTK技術(shù)進(jìn)行城市控制測(cè)量操作靈活、簡(jiǎn)單,同時(shí)減少了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)后處理工作,大大提高了工作效率,徹底改變了城市控制測(cè)量的作業(yè)模式;但在實(shí)際工作中應(yīng)充分認(rèn)識(shí)這一技術(shù)的特點(diǎn)及其與傳統(tǒng)測(cè)量模式的區(qū)別,設(shè)法提高測(cè)量成果的可靠性。參考文獻(xiàn)1城市測(cè)量規(guī)范CJJ899.中國(guó)建筑工業(yè)出

13、版社.2全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程.CJJ7397.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.(上接102頁擬合直線,得到直線的斜率,根據(jù)此斜率控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。在算法上,采用PD,并結(jié)合單獨(dú)一行的偏差與斜率共同控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向,具體選擇哪行參與轉(zhuǎn)向控制,本系統(tǒng)采用高速看遠(yuǎn)低速看近的原則來選擇,具體實(shí)現(xiàn)時(shí),要結(jié)合小車的運(yùn)行速度去確定。在速度控制上,本系統(tǒng)也采用傳統(tǒng)的PD算法,將速度偏差作為算法輸入,PWM 占空比作為算法輸出,從而達(dá)到給定運(yùn)行速度的控制目的。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作,主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、速度設(shè)置、PWM初始化等;接下來延時(shí)2秒然后系統(tǒng)正式起動(dòng),接下來進(jìn)行圖像采集、尋找黑線位置并根據(jù)偏差進(jìn)行舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制和速度控制。當(dāng)小車跑完指定圈數(shù)后,應(yīng)自動(dòng)剎車。根據(jù)大賽組委會(huì)要求,不能自動(dòng)停車的,最終成績(jī)加1秒。3結(jié)語在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,以第三屆華東賽區(qū)的實(shí)際跑道為參考,經(jīng)過多次的調(diào)試運(yùn)行,智能車系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好,平均速度達(dá)到2m/s。然而,系統(tǒng)也存在諸多不足,如起始線識(shí)別不準(zhǔn)確,存在漏檢、誤檢;