唐山師范學(xué)院攝像頭組Django技術(shù)報(bào)告8月14

軟件系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：賽道圖像采集部分，圖像數(shù)據(jù)處理部分，舵機(jī)、電機(jī)的控制部分，顯示調(diào)試部分。整體流程圖如圖5.1所示：圖5.1整體流程圖攝像頭組的一大難點(diǎn)就是圖像的幾個(gè)中斷時(shí)序問題，只要控制好他們的先后順序就能把圖像采集得很好。該智能車使用的是OV7620CMOS攝像頭，它可以直接輸出行場同步信號，正常輸出圖像大小為240x640。但對于小車來說太大了，要想識別出賽道的有用信息只需要少量的像素信號就行。因此采用隔行采集和pclk分頻的方法把圖像進(jìn)行縮減。圖像采集時(shí)可以采用固定隔行采集的方法，這種方法雖然可以很好的采到真實(shí)的圖像，但是到了后面的圖像處理時(shí)就沒有采用在特定行采集的方法好了?？紤]到攝像頭焦距的問題我們最終采用固定行采集方法。這種固定行采集方法可以將圖像進(jìn)行簡單的縱向矯正。像素信號可以采用簡單的延時(shí)方法采集，這種方法采回來的圖像質(zhì)量很差。一是圖像的中心不好調(diào)整；二是很容易采到雜信號。因此，我們用軟件模擬pclk的5分頻信號，將原來的每行640個(gè)像素點(diǎn)減少到了128個(gè)點(diǎn)，再通過K60的DMA進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集。這種方法雖然也不是最準(zhǔn)確的采集方法但是比起第一種方法還是有所進(jìn)步的。這樣就可以每掃描一場得到完整的簡單的賽道信息了，由于我們使用的是軟件分頻，二值化和濾波，需要對圖像處理占用一部分時(shí)間，為了避免采集與處理的沖突，所以選擇了隔場掃描，每采集一場，然后處理圖像并控制。之后再從新的一場開始采集，同時(shí)通過特定行行數(shù)組對圖像矯正，能夠保證圖像的質(zhì)量和真實(shí)的賽道情況，圖5.2為攝像頭采集到的賽道信息： 直入十字 斜入十字 虛線小s 直道圖5.2賽道信息采集到的圖像信息處理成完整的圖像，就該提取賽道有用信息了。首先就是圖像的二值化，這其中的難點(diǎn)是閾值的選取，只有閾值取得好才能很好的準(zhǔn)確的簡化圖像信息。這其中就有動態(tài)閾值和靜態(tài)閾值兩種軟件二值化的方法。靜態(tài)閾值方法對于環(huán)境的適應(yīng)能力比較差，環(huán)境變化就有可能不能準(zhǔn)確的二值化圖像。動態(tài)閾值方法雖然可以立刻適應(yīng)新環(huán)境，但是它也有自己的弊端，最主要的是運(yùn)行時(shí)間長，其次是它不一定能很好的找到一幅圖像的閾值，最明顯的地方是在虛線小S處，光線稍暗點(diǎn)就會把黑色虛線二值化沒了?？紤]兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用靜態(tài)閾值方法。只要在比賽時(shí)的試車階段把環(huán)境的閾值調(diào)整好就可以了。得到二值化的圖像后就是中心線的提取了。如何提取中心線是圖像處理的關(guān)鍵，只有正確的提取中心線才能準(zhǔn)確的控制小車。由于賽道兩邊的引導(dǎo)線是連續(xù)的，只有在十字和虛線小S處會出現(xiàn)短線的情況，但是這都可以通過圖像底層的黑線補(bǔ)出來。因此我們采用先找圖像底部引導(dǎo)線再通過此引導(dǎo)線向上逐行的尋找賽道兩邊的黑線方法來提取賽道邊線，進(jìn)而提取到中心線。關(guān)于中心線提取的具體思路如下：=1\*ROMANI從圖像底層三行采用從中心依次向兩邊擴(kuò)散搜索，找到黑點(diǎn)記錄值；=2\*ROMANII如果兩邊都找到，直接求平均值得到中心點(diǎn)坐標(biāo)；如果只找到一邊就用圖像邊緣與這一邊確定中心值；如果兩邊都沒找到，圖像中心即中心值。記錄連續(xù)采到有效點(diǎn)的坐標(biāo)值。如果采到有效的連續(xù)的三行黑色邊線，則采用這三個(gè)邊線的坐標(biāo)來作為接下來提取黑線的引導(dǎo)線。否則繼續(xù)尋找，直到找到可靠的引導(dǎo)線。=3\*ROMANIII以上行引導(dǎo)線提取到的中線點(diǎn)坐標(biāo)向兩邊尋找黑點(diǎn)，找到后與上行的引導(dǎo)線做對比，如果相差不大則說明這個(gè)點(diǎn)采集正確。否則放棄這個(gè)點(diǎn)，用上一行引導(dǎo)線的坐標(biāo)代替它。這樣就會把十字和虛線小S的斷線給補(bǔ)上。=4\*ROMANIV以這種方法提取下去就能把整幅圖像的中線提取出來，考慮到急彎的時(shí)候會出現(xiàn)賽道長度的縮減，我們進(jìn)行了賽道寬度的限制，當(dāng)左右邊線的差值小于某個(gè)值時(shí)就會停止中心線的提取。這樣就會防止誤采的可能。對于斜入十字我們也做了簡單的防止串道的限制算法，就是在斜入十字時(shí)賽道的寬度會突然變寬，這是不可能的，所以當(dāng)采集行比引導(dǎo)行的賽道寬度寬時(shí)就放棄本行數(shù)據(jù)，繼續(xù)采取上行的數(shù)據(jù)代替。這樣就不會在斜入十字是出現(xiàn)串道的情況。通過大量的實(shí)際實(shí)驗(yàn)證明我們這種方法既簡單又可靠，在華北賽區(qū)的比賽中未出現(xiàn)串道的情況，圖5.3為采用這種方法提取的中心線示意圖。 直入十字 斜入十字 虛線小s 直道圖5.3賽道中心線提取示意圖PID(ProportionalIntegralDerivative)控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。圖5.4為模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖。圖5.4PID原理框圖PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin(k)與實(shí)際輸出值yout(k)的差值e（t）構(gòu)成控制方案，圖5.5為利用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)模擬PID的一個(gè)例子：圖5.5虛短虛斷原則關(guān)于各調(diào)節(jié)器的作用說明：?比例調(diào)節(jié)器P1、起調(diào)節(jié)作用，與輸出量和給定量的差成正比，有差就有調(diào)節(jié)作用，所以他的調(diào)節(jié)結(jié)果總是有差存在，這種調(diào)節(jié)不可消除差，所以叫這種調(diào)節(jié)為有靜差調(diào)節(jié)；2、但這種調(diào)節(jié)作用快，能很快減小誤差，是最常用的一種調(diào)節(jié)器。3、積分I調(diào)節(jié)慢，所以PI是最常用的一種搭配。?積分調(diào)節(jié)器I1、是給定量與輸出量的差對時(shí)間的積分，在電路里就是用給定量與輸出量的差給電容充電，只要時(shí)間足夠長，電容器的電壓總會到達(dá)給定量，使輸出量與給定量的差為零；2、積分調(diào)節(jié)器是一種無靜差調(diào)節(jié)器，意思是說可調(diào)節(jié)到給定值，做到精確、準(zhǔn)確輸出；?微分控制調(diào)節(jié)器D1、，這種控制總是以輸出量與給定量的差的變化率成正比，差變化越劇烈，調(diào)節(jié)作用越大，差變化越平穩(wěn)，調(diào)節(jié)作用越弱；2、這種微分調(diào)節(jié)作用，使得輸出量平穩(wěn)而很少波動；3、這種微分調(diào)節(jié)作用，對輸出量的變化、波動產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻尼、抑制的作用，就像摩擦力的作用；增量式PID的算式為：如果換成智能車?yán)锏姆较蚩刂凭妥優(yōu)椋篜wm_offset=PWMMiddle+PID_P*(error-last_error)+PID_I*(error)+PID_D*(error+pre_error-2*last_error);如果換換成智能車?yán)锏乃俣瓤刂凭妥優(yōu)椋篜wmtemp+=PID_P*(error-last_error)+PID_I*(error)+PID_D*(error+pre_error-2*last_error);在圖像信息中確定中心值后，就可以得到當(dāng)前中心線的朝向，舵機(jī)通過PD控制就可以得到很好的控制效果。通過合理調(diào)節(jié)P參數(shù)，就可以使小車在賽道上穩(wěn)定行駛，在彎道增大P項(xiàng)可以使小車切內(nèi)道，但是在直道上會震蕩，于是我們采用動態(tài)P來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)基本轉(zhuǎn)向，直道的P系數(shù)小,彎道的系數(shù)大，然后再加入D項(xiàng)可以使轉(zhuǎn)彎提前，出彎時(shí)轉(zhuǎn)彎減小，調(diào)節(jié)PD系數(shù)可以將小車的行車線調(diào)整到一個(gè)較為理想的狀態(tài)。后期還結(jié)合中心值加權(quán)，對路徑做了一定的優(yōu)化。舵機(jī)控制的基本公式如下：Pwm_offset=PWMMiddle+P*(error）+D*(error-last_error)其中：error是圖像與賽道偏差，last_error為上一次的偏差，那么D項(xiàng)對應(yīng)的就是賽道變化率。對于速度控制，我們采用了增量式PID控制算法，基本思想是直道加速，彎道減速。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，將每場圖像得到的黑線位置與速度PID參考速度值構(gòu)成二次曲線關(guān)系。在實(shí)際測試中，我們發(fā)現(xiàn)小車直道和彎道相互過渡時(shí)加減速比較靈敏，與舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制配合得較好?；綪ID公式如下：pwmtemp+=PID_P*(error-last_error)+PID_I*(error)+PID_D*(error+pre_error-2*last_error);基本速度公式如下：Speed=Highspeed-error*error/（Highspeed-lowspeed）通過不斷實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)直入彎時(shí)，需要及時(shí)減速，所以我們根據(jù)中心值偏差以及有效行，判斷基本賽道類型，不同的類型需要不同的高速和低速。結(jié)果表明這樣控制效果更好。第六章系統(tǒng)開發(fā)及調(diào)試工具程序及硬件的調(diào)整必定離不開調(diào)試工具的幫助，合理的使用調(diào)試工具可以提高整個(gè)智能車制作的效率和質(zhì)量。再因比賽規(guī)定賽場上是不能下載程序的，所以人機(jī)交互調(diào)試界面的易用性和可靠性就決定了小車對賽場賽道和光線的適應(yīng)能力。IAREmbeddedWorkbenchforARM是IARSystems公司為ARM微處理器開發(fā)的一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境。比較其他的ARM開發(fā)環(huán)境，IAREWARM具有入門容易、使用方便和代碼緊湊等特點(diǎn)。相對于KeilforARM、CodeWarrior而言，IARforARM的編程界面是最簡單的，編譯效率高，在嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試方面提供了可供調(diào)試的插件，方面用戶調(diào)試程序。圖6.1為IAR編程與調(diào)試界面。圖6.1IAR編程與調(diào)試界面J-LINK仿真器是SEGGER公司為支持仿真ARM內(nèi)核芯片推出的JTAG仿真器，可與IAR編譯環(huán)境無縫連接，操作方便且下載速度快，是學(xué)習(xí)開發(fā)ARM最好最實(shí)用的開發(fā)工具，故使用此款仿真器開發(fā)K60，圖6.2為J-LINK外觀。圖6.2J-LINK外觀當(dāng)后期調(diào)試需要小車在賽道上邊行駛邊發(fā)送賽道信息到上位機(jī)時(shí)，USB轉(zhuǎn)串口線是無法滿足要求的，經(jīng)過考慮我們選擇了藍(lán)牙模塊無線串口通訊。兩塊藍(lán)牙模塊一塊當(dāng)從機(jī)，一塊當(dāng)主機(jī)，配合USB-TLL模塊可以方便的將接收到的數(shù)據(jù)顯示在電腦上，圖6.3為藍(lán)牙模塊和USB轉(zhuǎn)TTL模塊實(shí)物圖。圖6.3藍(lán)牙模塊及USB轉(zhuǎn)TTL模塊 我們采用全功能上位機(jī)對攝像頭采集到的圖像進(jìn)行顯示與分析。該軟件可以實(shí)時(shí)顯示串口接收到的圖像，也可將二維數(shù)組轉(zhuǎn)圖像，支持圖像保存，動態(tài)設(shè)置協(xié)議頭，可以顯示圖像的行列值，灰度值，支持添加算法插件等高級功能。使后期圖像的深入分析與復(fù)雜控制算法的編寫成為可能，圖6.4為全功能上位機(jī)界面。圖6.4全功能上位機(jī)打開界面我們選用OLED顯示屏顯示參數(shù)，選用3X6X2.5MM貼片式微動按鍵調(diào)節(jié)參數(shù)。進(jìn)一步縮小電路板面積，使車身整體更加精妙合理的設(shè)計(jì)成為可能。圖6.5OLED與LCD5110比較表7.1模型車的主要技術(shù)參數(shù)說明項(xiàng)目參數(shù)路經(jīng)檢測方法攝像頭組車模長、寬、高（mm）長：300寬：220高：350電容總量1400微法傳感器種類及個(gè)數(shù)CMOS攝像頭1個(gè)，測速編碼器1個(gè)，紅外對管5個(gè)除了車模原有的驅(qū)動電機(jī)、舵機(jī)之外伺服電機(jī)個(gè)數(shù)無額外伺服電機(jī)賽道信息檢測精度1cm賽道信息檢測頻率30HZ車?？傊亓?Kg第八章總結(jié)我們小組成員都是非自動化專業(yè)，在小車制作過程中，對此產(chǎn)生了濃厚的興趣，從對智能車一無所知開始，通過查找資料補(bǔ)充知識，經(jīng)過一系列的設(shè)計(jì)電路，組裝機(jī)械，編寫程序，分析算法，最后終于能夠讓我們的車模跑的達(dá)到了預(yù)期的要求，并積累很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。本智能車系統(tǒng)使用數(shù)字?jǐn)z像頭，直接輸出期望的數(shù)據(jù)格式，減輕了硬件電路的負(fù)擔(dān)。適當(dāng)?shù)氖褂昧速N片式芯片，既保證散熱又有效的縮減了電路面積。使用了32位單片機(jī)，比16位單片機(jī)執(zhí)行速度快。中心線提取是根據(jù)邊線連續(xù)性的特點(diǎn)提取的，這樣大大提高其準(zhǔn)確性，省去了對賽道識別的算法。由于OV7620本身場周期16.6毫秒的限制再加上我們使用的提取修正圖像數(shù)組的固有缺點(diǎn)。導(dǎo)致必需使用隔場采集，使程序運(yùn)行周期延長到了30毫秒左右。相比電磁組和光電組8毫秒左右的運(yùn)行周期慢很多，且程序內(nèi)各函數(shù)執(zhí)行循序安排不甚合理導(dǎo)致內(nèi)耗很大，嚴(yán)重影響了車速的提升。硬件設(shè)計(jì)不甚完善導(dǎo)致小車有些頭重腳輕。采用的K60最小系統(tǒng)板體積偏大且沒有集成SD模塊，故日常調(diào)整參數(shù)時(shí)沒有使用上預(yù)期的SD卡來讀取小車運(yùn)行的實(shí)際參數(shù)，智能憑借經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)，大大降低了參數(shù)調(diào)整的精度和準(zhǔn)確性，也使調(diào)車的隊(duì)員十分辛苦。使用靈敏度更高，場周期只有8毫秒的OV7725，采用硬件二值化并將電路制作在攝像頭背面。充分利用DMA采集優(yōu)勢，將算法放在行中斷，達(dá)到預(yù)期的一場采集并處理使程序運(yùn)行周期達(dá)到8毫秒。采用線程更高，體積更小的光電編碼器并完善硬件設(shè)計(jì)徹底解決車體頭重腳輕的問題。采用體積更小，模塊集成度更高的K60最小系統(tǒng)板，充分發(fā)揮32為單片機(jī)的強(qiáng)大功能。經(jīng)過幾個(gè)月的制作和調(diào)試智能車，每個(gè)隊(duì)員都收獲很大。通過這次比賽，不僅發(fā)揮了隊(duì)員的創(chuàng)新合作精神，而且也學(xué)習(xí)到其他參賽隊(duì)的控制思想和優(yōu)秀作品。能參加這項(xiàng)比賽，對于本隊(duì)每個(gè)人來說，定會成為人生當(dāng)中銘記的經(jīng)典，每個(gè)組員要感謝在這過程中一直鼓勵(lì)、支持、幫助我們的指導(dǎo)教師，感謝學(xué)校和大賽組委會為我們提供的展示平臺，感謝在這過程中所有幫助過我們的人們。[1]童詩白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京:高等教育出版社，2001.[2]閻石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京:高等教育出版社，2000.[3]邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[M]．北京．清華大學(xué)出版社．2004[4]譚浩強(qiáng)著．C程序設(shè)計(jì)．北京：清華大學(xué)出版社，2003．[5]邱關(guān)源.電路.高等教育出版社，1999.[6]第七屆北京科技大學(xué)CCD技術(shù)報(bào)告.[7]第七屆常熟理工學(xué)院-閃電六隊(duì)-技術(shù)報(bào)告. 第八屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告附錄voidhang(){unsignedcharj,*p;if(PORTA_ISFR&(0X00000001<<10)){PORTA_ISFR|=0X00000001<<10;m++;if(m==XZ_Hang[Line_C]){p=&Image_Data[Line_C][0];for(j=0;j<COLUMN;j=j+2,p=p+2){*p=(unsignedchar)LPLD_GPIO_Get(PTB);asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");*(p+1)=(unsignedchar)LPLD_GPIO_Get(PTB);asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");asm("nop");//asm("nop");}Line_C++;}//enable_irq(87);if(Line_C==ROW){SF=1;K=0;//DisableInterrupts;disable_irq(87);disable_irq(88);return;}}}voidchang(){if(PORTB_ISFR&0X00000001<<11){PORTB_ISFR|=0X00000001<<11;PORTA_ISFR|=0X00000001<<10;disable_irq(88);Line_C=0;//LPLD_UART_PutChar(UART1,0xff);//LPLD_UART_PutChar(UART1,0xff);enable_irq(87);K=1;}}voidPIDctr(intyushe_maichong){