基于CMOS摄像头的智能寻迹车的设计与实现
毕业设计基于图像传感器的自动循迹智能车
系统软件流程图
软件的开发工具和系统的调试
• 1.CodewarriorV4.7软件及其应用 • Codewarrior软件是Metrowerks公司开发的软件集 成开发环境及IDE(intergrated develop inviroment)，Freescale的单片机都可以在 codewarior IDE软件下进行开发，codewarrior IDE 为软件开发提供了一系列的工具
智能车系统的分析
• 1.系统模型总体框图
• 2.系统控制电源模块分析
• 3.系统软件模块的分析
• 从该结构图中可以看出，系统的软件模块主要有： • 1. 单片机系统的初始化，包括单片机系统时钟的初始化、 ATD模块的初始化、PWM模块的初始化、增强型时钟模 块的初始化，还有一些输入输出口的初始化； • 2. 图像信号的采集：通过对图像信号波形的学习，根据图 像信号的特点，采集有效图像信号； • 3. 图像信号的处理：将采集到的信号存储在单片机中，通 过对图像信号的分析和判断来识别路径，判断黑线中间位 置，判断道路是直线还是曲线，以及通过计算判断出曲线 的斜率，从而进一步的控制舵机的转角和驱动电机的转速。 • 4. 舵机转角的控制和电机转速的控制：通过控制PWM口 的信号输出可以实现对舵机转角和轮速的控制
研究课题：基于图像传感器的自 动循迹智能车系统设置
指导老师： 学生： 专业：车辆工程
智能车概述
• 智能车是一种轮式移动机器人，它能够自主进行路径识别、 决策规划以选择最佳的行驶状态，智能车集中运用了自动 控制、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多 个学科的知识。随着控制技术、计算机技术和信息技术的 发展，智能车在工业生产和日常生活中已扮演了非常重要 的角色。车辆智能化是汽车工业今后的发展趋势，也是人 们对安全性、智能化要求越来越高未来汽车的发展方向。 随着计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展，智 能车辆技术的研究将会有突破性的进展。智能车辆系统的 实用化是智能车辆发展的前进方向，适应性强、环境适应 性好的智能车辆将是研究的重点。
基于μCOS-Ⅱ系统的智能寻迹模型车的设计与实现
基于μCOS-Ⅱ系统的智能寻迹模型车的设计与实现0 引言智能车辆是当今车辆工程领域研究的前沿，它体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。
以往智能小车在软件设计上多采用单程序控制，不利于智能车在外部环境改变时做出快速反应，为使智能车系统反应更为快速，该智能车应用μC／OS-Ⅱ系统，该系统适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良等特点。
且选用功耗较低、资源更为丰富的AVR 系列ATmega16 单片机作为核心控制单元。
采用红外探测法实现寻迹功能，即将红外光电传感器固定在底盘前沿，利用其在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。
并在后轮上粘上均匀分布的黑白条纹，根据光电反射原理，测量车速。
为保证智能车在行驶过程具有良好的操稳性和平顺性，控制系统对直流电机驱动控制提出了较为理想的解决方案。
1 硬件系统的设计及实现智能车的硬件部分以AVR 系列ATmega 16 单片机为核心控制器，由核心控制单元、电源管理模块、路径识别模块、转向控制模块、电机驱动模块和速度及路程检测模块等组成。
智能车控制系统总体结构如图1 所示。
1．1 核心控制单元智能车采用ATmage 16 型单片机作为主控CPU 其主要特点为高性能、低功耗、高性价比，资源丰富，并且支持高级语言编程，在运行速度。
内存容量，内部功能模块集成化等诸多方面比MCS-51 系列先进。
在智能车系统设计中，单片机的I／O 资源分配如下：PB3，PD7 为伺服电动机的PWM 控制信号输出引脚；PD0～PD3 为驱动电机正反转引脚；路径识别系统。
基于飞思卡尔和摄像头的智能小车寻迹系统设计
基于飞思卡尔和摄像头的智能小车寻迹系统设计1 引言智能小车寻迹系统是基于摄像头和飞思卡尔16 微处理器mc9s12xs128 组成，由摄像头采集图像有用信息送入单片机分析道路参数。
智能小车跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm，铺设跑道地板颜色与背景不一样;跑道宽度为60cm，窄道区的宽度为45cm;跑道最小曲率半径不小于50 厘米; 跑道可以交叉，交叉角为90 度。
系统主要包括视频图像采集、图像处理、黑线中心提取、路径判断。
2 视频图像采集图像采集是基于mc9s12xs128 单片机来实现的。
mc9s12xs128 是飞思卡尔开发的以cpu12 内核为核心的单片机，采用5v 电源供电，总线速度最高可达40mhz，8kb ram，128kb flash，具有丰富的i/o 模块和工业控制专用的通信模块[1]。
(a) 视频信号;(b) 行同步信号;(c) 场同步信号;(d) 奇偶场同步信号图1 摄像头信号时序图摄像头前瞻距离大，有利于提高速度。
同时跑道色内外色差只有黑白两色，只需提取探测画面的灰度信息就能识别黑线信息，因而图像采集选用黑白摄像头。
摄像头输出的是pal 制式的复合全电视信号，每秒输出25 帧，每帧分为偶场和奇场。
黑白视频图像信号由图像信号、消隐信号及同步信号共同组成。
场同步脉冲标志着新的一场到来。
场消隐区恰好跨在一场的结尾部分和下场的开始部分，得等到场消隐区过去，下场的视频信号才真正到来。
pal 制式的摄像头每秒扫描25 幅图像，每幅又分奇偶两场，故每秒扫描50 场图像[2]。
为此要有效地采集摄像头的视频信号，需要把摄像信号进行分离。
lm1881 视频同步信。
基于光电传感器自动循迹的智能车系统设计
第一章绪论1.1智能小车的意义和作用自第一台工业机器人诞生以来，机器人的开展已经普及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。
近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。
人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。
随着科学技术的开展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。
视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当兴旺，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些构造化环境简单的目标。
视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。
但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。
机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。
避障控制系统是基于自动导引小车〔AVG—auto-guide vehicle〕系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。
使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。
该智能小车可以作为机器人的典型代表。
它可以分为三大组成局部：传感器检测局部、执行局部、CPU。
机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。
可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。
基于上述要求，传感检测局部考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。
智能小车的执行局部，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。
单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现准确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以准确调速，但单片机型号的选择余地较大。
毕业设计---基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计
摘要新一代汽车研究与开发将集中表现在信息技术、微电子技术、计算机技术、智能自动化技术、人工智能技术、网络技术、通信技术在汽车上的应用。
智能汽车是是现代汽车发展的方向。
大学生智能车比赛是智能汽车设计的一个实践平台，光电传感器的自动循迹智能车系统，采用光电传感器作为道路信息的采集传感器，单片机为控制系统的核心来处理信号和控制小车行驶。
MC9S12系列单片机在汽车电子控制领域得到广泛应用。
本课题就是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器对智能车系统进行设计。
智能车系统设计包括硬件电路和控制软件系统的设计。
硬件系统使用专门软件Altium Designer设计。
硬件电路系统主要包括freescale单片机最小系统、电源管理系统、路径识别与检测系统、电机驱动系统。
而控制系统软件的设计主要包括单片机的初始化、PID控制算法、路径识别算法、舵机控制算法、速度控制算法。
软件设计是用Freescale公司的Codewarrior软件作为软件开发和仿真下载的平台。
最后完成了整个自动循迹智能车系统设计。
关键字：智能车；光电传感器；自动循迹；控制算法；PID;I基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计ABSTRACTThe design of autoguiding smartcar system based onphotoelectric sensorN ew generation automobile development and researched focus on information technology, microelectronic technology, computer technology, intelligent automation technology, artificial intelligence technology, networking technology, communication technology and so on. The intelligent automobile is the direction in which the modern automobile developed.The university students intelligence vehicle competition is a practice platform in which intelligence automobile designed , we use the photoelectric sensor as gathering sensor to take path information , The microcontroller is used as the control system core ,and process the signal, and controls car to run . signal-chip microcomputer MC9S12 series be widespread utilized in the automobile electronic control domain. I use the Freescale microcontroller MC9S12XS128 to design the intelligent vehicle system. The design of intelligent vehicle system including hardware circuit and control software system. I adopt the software of electronics design Altium Designer to complete designing the hardware . Hardware circuit system mainly includes the freescale ’s Single-chip Microcomputer smallest system, the power source management system , the way recognition and the detecting system, the motor-driven system. But the control software system mainly includes Single-chip Microcomputer 's initialization, the PID control algorithm, the way recognition algorithm, the steering engine control algorithm, the speed control algorithm . It uses Freescale Corporation's Codewarrior as the software development ,the simulation and downloading…s platform in the software designing . Finally The design of auto track smartcar system based on photoelectric sensor is completed.Key words: Intelligent vehicle; photoelectric Sensor; auto track; Control algorithm ;PID；II摘要 (I)ABSTRACT ........................................................................................................................ I I 插图清单 (I)第1章绪论................................................................................................................. - 1 -1.1 毕业设计（论文）内容及研究意义（价值）............................................. - 1 -1.2 毕业设计（论文）研究现状和发展趋势..................................................... - 2 -第2章控制系统整体方案设计................................................................................... - 3 -2.1 整体设计方案概述........................................................................................... - 3 -2.2 控制系统整体方案设计................................................................................. - 4 -2.2.1 模型车硬件整体方案设计...................................................................... - 4 -2.2.2 系统软件模块分析 ................................................................................. - 7 -2.2.3 控制算法设计方案 ................................................................................. - 8 -第3章单片机最小系统模块....................................................................................... - 9 -3.1 单片机以及最小系统简介............................................................................... - 9 -3.2 MC9S12XS128最小系统设计 ...................................................................... - 9 - 第4章电源管理模块................................................................................................. - 11 -第5章路径识别模块和测速检测模块..................................................................... - 13 -5.1 路径识别模块................................................................................................. - 13 -5.1.1 光电传感器 ........................................................................................... - 13 -5.1.2 光电传感器发射与接收电路设计 ....................................................... - 13 -5.1.3 路径识别传感器布局设计 ................................................................... - 14 -5.2 测速检测模块 .......................................................................................... - 16 -第6章电机驱动模块................................................................................................. - 19 -6.1 直流电机驱动模块......................................................................................... - 19 -6.1.1 电机的工作原理 ................................................................................... - 19 -6.1.2 MC33886介绍....................................................................................... - 21 -6.1.3 PWM信号控制电机的转速.................................................................. - 22 -6.2 舵机驱动模块............................................................................................... - 23 -第7章智能车软件的设计......................................................................................... - 29 -7.1 单片机初始化................................................................................................. - 30 -7.2 PID控制算法 ............................................................................................... - 32 -7.3 路径识别算法............................................................................................... - 34 -7.4 舵机控制算法............................................................................................... - 34 -7.5 速度控制算法............................................................................................... - 36 -I基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计第8章开发制作与调试............................................................................................. - 38 -8.1 CodewarriorV4.7软件及其应用.................................................................. - 38 -8.2 BDM for S12的使用.................................................................................... - 43 -结论和展望................................................................................................................... - 44 - 致谢........................................................................................................................... - 45 - 参考文献....................................................................................................................... - 46 - 主要参考文献摘要....................................................................................................... - 48 - 附录A ........................................................................................................................... - 50 -II插图清单图2-1 系统信息的控制流程图....................................... - 4 - 图2-2 智能车控制系统整体结构图................................... - 5 - 图2-3 系统硬件结构图............................................. - 6 - 图2-4 系统软件结构............................................... - 7 - 图3-1 最小系统原理图和PCB图.................................... - 10 - 图4-1 电源系统结构框图.......................................... - 11 - 图4-2 LM7805电路图.............................................. - 12 - 图4-3 LM7806电路图.............................................. - 12 - 图5-1 光电传感器的基本组成...................................... - 13 - 图5-2 单对红外传感器电路图...................................... - 14 - 图5-3 红外探测布局的PCB图...................................... - 16 - 图5-4 霍尔原理.................................................. - 17 - 图5-5 霍尔测速电路图............................................ - 18 - 图6-1 H桥式电机驱动电路......................................... - 20 - 图6-2 H桥电路驱动电机顺时针转动................................. - 20 - 图6-3 H桥电路驱动电机逆时针转动................................. - 21 - 图6-4 MC33886电机驱动原理图..................................... - 22 - 图6-5 舵机工作原理示意图........................................ - 24 - 图6-6 舵机输出转角与控制信号脉宽之间关系........................ - 25 - 图6-7 不同占空比的PWM波形控制的转向伺服电机状态图.............. - 26 - 图6-8 转向伺服电机控制方法图.................................... - 27 - 图6-9 舵机转角控制模块程序流程图................................ - 28 - 图7-1 光电传感器方案主程序流程图................................ - 29 - 图7-2 典型PID控制结构.......................................... - 33 - 图7-3 舵机控制流程图............................................ - 35 - 图7-4 速度控制流程图............................................ - 37 - 图8-1 CodearrierV4.7 创建新的工程窗口........................... - 40 - 图8-2 CodearrierV4.7的工程的初始设置窗口........................ - 41 - 图8-3 CodearrierV4.7的编译窗口.................................. - 42 -图8-4 BDM的PCB原理图........................................... - 43 -I第1章绪论自动循迹智能车是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。
基于SMOS传感器的自主循迹智能小车系统设计
摘要“飞思卡尔”智能车是机电一体化的典型产物，其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科。
在整个智能车控制系统中，如何准确地识别道路及实时地对智能车的速度和方向进行控制是整个控制系统的关键。
本文详细介绍了一种利用CMOS摄像头作为传感器获取路径信息，并能够自动寻迹行驶的智能车的制作过程。
本次制作的智能车采用比赛统一的车模，利用Freescale的16单片机MC9S12DG128作为控制器，对CMOS摄像头采集回来的图像进行分析，提取出黑线路径，并配合转向和速度的控制算法，使智能车能够自动寻迹行驶。
本文首先对智能车的硬件进行设计，达到了低重心、大前瞻、高稳定性的目标。
其次对系统的软件部分进行设计，利用动态阈值法分割处理采集到的图像，得到赛道信息，从而得到智能车的偏航角和偏航距离。
综合偏航角和偏航距离两个控制量对舵机进行控制，实现了入弯走内道，S弯直线冲过的目标，大大提高了智能车的弯道运行速度。
用光电编码盘检测智能车的运行速度，再根据赛道信息给定智能车的运行速度，运用增量式PID算法调节驱动电机转速，实现了电机的快速响应。
整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、控制算法和策略优化等多个方面。
经过大量测试，最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。
关键字：智能车；图像传感器；阈值分割；路径识别；Abstract"Freescale" intelligent vehicle is the typical electromechanical product, its professional knowledge involved in control, pattern recognition, sensing technology, automobile electronics, electrical, computer, machinery and so on many subjects. Throughout the intelligent vehicle control system, how to accurately identify road and real-time intelligent vehicle to control the speed and direction of the whole control system is the key. This paper introduces a kind of using CMOS cameras as sensor getting information, and can automatic path of intelligent vehicle driving tracing the production process.The production of intelligent vehicle USES the game models, use the unity of MC9S12XS128 Freescale microcontroller as controller, 16 of CMOS cameras acquisition back analysis is used to extract image, and work with black path to and speed control algorithm, make intelligent driving car can automatic tracing.In this paper, first, the hardware design of intelligent vehicle, reached a low center of gravity, large prospectie, high stability target. Secondly the software of the system design, the dynamic of segmentation threshold value method to collect images, processing circuit information, and thus get get intelligent car of yaw Angle and yaw distance. Comprehensive yaw Angle and yaw distance two control volume on steering gear control, realize the NaDao turn-in walk straight overshoot, S bending the target, greatly improving the smart car corners speed. Using photoelectric coding dish the running speed of intelligent vehicle detection circuit information given, then according to the running speed of intelligent vehicle incremental, using PID algorithm adjusting drive motor speed, and realize the fast response of the motor.The whole systems involve the mechanical structure adjustment, sensor draw circuit design and signal processing, control algorithm and the strategy optimization, etc. After plenty of testing, final existing system structure and various control parameters.Keywords：smart car; image sensor; threshold segmentation; road identification目录1 引言 (1)1.1课题背景 (1)1.2智能车辆的产生与发展 (1)1.2.1 国外概况 (2)1.2.2 国内概况 (3)1.3 智能小车设计思路 (3)1.3.1 控制系统 (4)1.3.2 电源系统 (4)1.3.3 整车布局 (5)1.4 本文主要内容 (6)2 硬件设计 (7)2.1 摄像头的选型及安装方案设计 (7)2.1.1 摄像头的选型 (7)2.1.2 传感器的供电电路 (10)2.1.3 视频处理模块 (11)2.1.4 传感器安装方案设计 (12)2.2 模型车机械设计 (12)2.2.1 车体布局 (13)2.2.2 传感器支架的设计安装 (13)2.2.3 主板安装 (13)2.2.4 车模参数调整 (14)2.3 电路设计 (15)2.3.1 电源模块 (15)2.3.2 时钟模块 (16)2.3.3 最小系统板模块 (17)2.3.4 串口模块 (18)2.3.5 测速模块 (18)2.3.6 电机驱动模块 (19)2.3.7 抗干扰处理 (19)2.4 本章小结 (20)3 软件设计 (21)3.1 视频信号采集 (21)3.1.1 摄像头的工作原理 (21)3.1.2 采样分析 (23)3.1.3 采样时序 (24)3.1.4 中断分析 (25)3.2 路径识别与自动阈值 (26)3.3 软件抗干扰处理 (28)3.4 偏航算法 (29)3.4.1 摄像头测量距离标定 (29)3.4.2 舵机的控制方法 (30)3.4.3 偏航距离的计算 (31)3.4.4 偏航角的计算 (32)3.4.5 舵机的控制 (33)3.5 电机的速度控制 (36)3.5.1 电机的开环响应特性 (36)3.5.2 速度PID算法 (37)3.6 本章小结 (38)4 智能车的开发及调试 (38)4.1 开发工具机调试过程 (38)4.1.1 编译环境 (38)4.1.2 下载调试 (39)4.1.3 无线调试模块 (40)4.2 单片机的资源分配 (41)4.3 代码设计简介 (41)4.4 车模机械结构参数 (42)4.4.1 车模参数 (42)4.4.2 电路板参数 (42)4.5 本章小结 (43)5 总结与展望 (43)致谢 (45)参考文献： (46)附录 (47)1 引言1.1课题背景车辆与我们的社会生活息息相关，然而当今车辆的智能化发展还不是很迅速，特别是在安全性，智能化，车与路之间交互信息等方面。
基于CMOS图像传感器的视觉导航智能小车设计
基于CMOS图像传感器的视觉导航小车设计摘要89C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。
这里介绍的是如何用89C51单片机来实现兰州理工大学的毕业设计，该设计是结合科研项目而确定的设计类课题。
本系统以设计题目的要求为目的，采用89C51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。
整个系统的电路结构简单，可靠性能高。
实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。
采用的技术主要有：(1)通过编程来控制小车的速度；(2)传感器的有效应用；(3)CMOS图像传感器关键词：80C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车An intelligence electricity motive small carbased on CMOS image sensrAbstract89C51 is a 8 bit single chip computer. Its easily using and multi-function suffer large users. This article introduces the LUT graduation design with the 89C51 single chip computer. This design combines with scientific research object. This system regards the request of the topic, adopting 89C51 for controlling core, super sonic sensor for test the hinder. It can run in a high and a low speed or stop automatically. It also can record the time, distance and the speed or searching light and mark automatically the electric circuit construction of whole system is simple, the function is dependable. Experiment test result satisfy the request, this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyze.The adoption of technique as:(1)Reduce the speed by program the engine；(2)Efficient application of the sensor;(3)CMOS image sensor.Keywords:89C51 MCU, light electricity detector, PWM speed adjusting, Electricity motive small car目录一、系统设计要求................................................ - 1 -1.1 任务.................................................... - 1 -1.2设计相关要求............................................. - 1 -1.2.1 基本要求........................................... - 1 -1.2.2 主要技术指标....................................... - 1 -二、系统方案论证与选择.......................................... - 1 -2.1 系统基本方案............................................ - 2 -2.2系统各模块的最终方案..................................... - 7 -三、系统的硬件设计与实现........................................ - 8 -3.1系统硬件的基本组成部分................................... - 8 -3.2主要单元电路的设计....................................... - 9 -3.2.1电源电路........................................... - 9 -3.2.2控制电路.......................................... - 10 -3.2.3循迹探测电路...................................... - 13 -3.2.4边缘检测电路...................................... - 17 -3.2.5电机驱动电路...................................... - 19 -3.2.6 PWM调速.......................................... - 20 -3.2.7舵机控制电路........................... 错误!未定义书签。
基于某光电传感器自动循迹小车设计.doc
摘要制作自动寻迹小车所涉及的专业知识包括控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科。
为了使小车能够快速稳定的行驶，设计制作了小车控制系统。
在整个小车控制系统中，如何准确地识别路径及实时地对智能车的速度和方向进行控制是整个控制系统的关键。
由于此小车能够自动寻迹,加速,减速.故又被称作为智能车.本智能车控制系统设计以MC9S12XS128微控制器为核心，通过两排光电传感器检测小车的位置和运动方向来获取轨道信息，根据轨道信息判断出相应的轨道类型，并分配不同的速度给硬件电路加以控制，完成了在变负荷条件下对速度的快速稳定调节。
红外对射传感器用于检测智能车的速度，以脉宽调制控制方式（PWM）控制电机和舵机以达到控制智能车的行驶速度和偏转方向。
软件是在CodeWarrior 5.0的环境下用C语言编写的，用PID控制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向，完成对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。
智能车能够准确迅速地识别特定的轨道，并沿着引导线以较高的速度稳定行驶。
整个智能车系统涉及车模机械结构的改装、传感器电路设计及控制算法等多个方面。
经过多次反复的测试，最终确定了现有的智能车模型和各项控制参数。
关键词：MC9S12XS128；PID；PWM；光电传感器；智能车ABSTRACTMaking automatic tracing car involved the professional knowledge including control, pattern recognition, sensing technology, automobile electronics, electrical, computer, machinery and so on many subjects. According to the technical requirements of the contest, we design the intelligent vehicle control system. In the entire control system of the smart car, how to accurately identify the road and real-time control the speed and direction of the Smart Car is the key to the whole control system.Because this car can automatic tracing, accelerate, slowing down. So it is also known as intelligent car this intelligent vehicle control system design take the MC9S12XS128 micro controller as a core, examines car's position and the heading through two row of photoelectric sensors gains the racecourse information, judges the corresponding racecourse type according to the racecourse information, and assigned the different speed to control for the hardware circuit, has completed in changes under the load condition to the speed fast stable adjustment. The infrared correlation sensor uses in examining the intelligent vehicle's speed, (PWM) controls the electrical machinery and the servo by the pulse-duration modulation control mode achieves the control intelligence vehicle's moving velocity and the deflection direction.The software is under the CodeWarrior 5.0 environment with the C language compilation, actuates electrical machinery's rotational speed and servo's direction with the PID control algorithm adjustment, completes to the model vehicle velocity of movement and the heading closed-loop control. The intelligent vehicle can distinguish the specific racecourse rapidly accurately, and along inlet line by the high speed control travel.The entire intelligent vehicle system involves the vehicle mold mechanism the re-equipping, the sensor circuit design and the control algorithm and so on many aspects. After the repeated test, has determined the existing intelligent vehicle model and each controlled variable finally many times.Keywords：MC9S12XS128; PID；PWM；photoelectric sensor; smart car目录第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2本文设计方案概述 (1)1.2.1总体设计 (1)1.2.2传感器设计方案 (2)1.2.3控制算法设计方案 (4)第二章机械结构设计 (5)2.1前轮倾角的调整 (5)2.2齿轮传动机构调整 (5)2.3后轮差速机构调整 (6)2.4红外传感器的固定 (6)2.5小车重心的调整 (6)2.6齿轮啮合间隙的调整 (7)第三章硬件电路的设计 (8)3.1系统硬件概述 (8)3.2电源模块的设计 (9)3.2.1 LM2940供电电路 (10)3.2.2 LM2596供电电路 (11)3.3电机驱动模块 (12)3.3.1模块介绍 (12)3.3.2使用说明 (13)3.3.3电压电流测试结果 (14)3.4舵机控制模块 (15)3.5路径识别模块 (16)3.7单片机模块的设计 (18)3.8硬件电路部分总结 (18)第四章软件系统设计 (20)4.1智能车控制算法监测平台 (20)4.2主程序流程图 (20)4.3系统的模块化结构 (21)4.3.1时钟初始化 (21)4.3.2串口初始化 (22)4.3.3 PWM初始化 (23)4.4中断处理流程 (25)4.5小车控制算法 (25)4.5.1舵机控制 (26)4.5.2速度控制 (27)4.6坡道的处理 (29)4.7弯道策略分析 (29)第五章开发与调试 (31)5.1软件开发环境介绍 (31)5.2智能车整体调试 (34)5.2.1 舵机调试 (34)5.2.2 电机调试 (34)5.2.3 动静态调试 (34)第六章结论 (36)6.1智能车的主要技术参数说明 (36)6.2总结 (36)6.3不足与展望 (36)参考文献 (37)致 (38)附录1 (39)附录2 (47)附录3 (60)第一章绪论1.1引言思路及技术方案是一个工程项目的灵魂。
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第29卷第5期2008年10月华 北 水 利 水 电 学 院 学 报Journal of North China I nstitute of W ater Conservancy and Hydr oelectric PowerVol 129No 15Oct .2008收稿日期:2008-07-09作者简介:云 康(1982—),男,河南杞县人,助教,主要从事自动化测量、测试与控制系统方面的研究.文章编号:1002-5634(2008)05-0055-03基于CMO S 摄像头的智能寻迹车的设计与实现云 康1,高 超2(1.郑州轻工业学院,河南郑州450002;2.电子科技大学,四川成都610054)摘 要:分析了自动寻迹智能车的几个关键实现技术,给出了一种采用C MOS 摄像头检测方式的智能车的电路设计、控制算法和软件流程.测试结果表明该车能够准确跟踪引导线运行.关键词:摄像头检测;微控制器;P WM 控制;智能车中图分类号:TP242.6 文献标识码:A 智能车又名轮式移动机器人,可作为安装有特定设备的交通载体,使用在科学探索、工业生产等领域.目前智能车的研究重点主要集中在视频检测及目标检测、跟踪、避障等方面.笔者主要针对具有黑色引导线并带有弯道、坡道等的特定道路,设计出能够自动识别路径并跟踪行驶的智能模型车,如图1所示.图1 智能车示意图1 系统设计将汽车工业中实际用于中央车身电子、底盘安全及动力总成控制的飞思卡尔公司16位处理器MC9S12DG128引入到智能车的开发中,提高智能车的整体控制性能.设计思路为:由安装在智能车前端的摄像头拍摄车体前方道路,从拍摄的道路图片中提取黑色引导线信息送到智能车控制器,判断车身相对前方引导线位置,如有偏离则根据算法控制舵机进行方向调整,同时控制驱动电机跟踪引导线稳定行驶.系统结构如图2所示[1-2].图2 系统结构框图2 关键技术分析与硬件设计系统的关键技术在于道路引导线信息的提取.硬件电路主要围绕引导线检测、车辆控制、电源保障等几个方面设计.2.1 电源模块电源模块为系统其他各电路运行提供电源保障.车载主电源为1块7.2V ,2A /h 可充电镍镉蓄电池.由于电路主板、驱动电机、摄像头分别需要5,6,8,12V 等电压供电,分别采用7805,7806,7808和一块VS1开关型DC -DC 升压集成电路实现.2.2 道路检测模块该模块主要实时拍摄车体前方道路,并提取前方引导线相对于智能车的偏移量、方向、曲率等信息,以实现智能车自动沿引导线运行.用摄像头拍摄车体前方的道路,得到由黑色引导线和白色路面组成的图像.引导线和路面的黑白二色在图像中就体现在其灰度值的大小差异上,摄像头中的图像传感器芯片将各点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值通过视频信号端分场逐行输出.利用控制器采样图像中各点的电压值,就可以判断出引导线的位置、形状等信息[3].系统采用1/3Omni V isi on C MOS 传感芯片的黑白摄像头,隔行扫描P AL 制式,场频为50Hz,分辨率为320电视线,即摄像头每秒钟输出50场图像,每场图像分320行输出.由于智能车始终在运行,可将摄像头奇偶场作为2幅图像来处理,复合视频信号由摄像头信号端输出.另外,系统采用L M1881专用视频同步信号分离芯片从摄像头输出的复合视频信号中提取出行同步脉冲、场同步脉冲、奇偶场换场信号等图像的换行和换场的同步信息.由摄像头、L M1881电路和S12控制器构成的智能车视频采样电路如图3所示.图3 视频采样电路视频采样原理为:当PS1引脚电平发生翻转时,表明新的一场图像到来,图像采样开始;当PT0引脚检测到一个行同步信号上升沿,表明新的一行图像数据开始输出,S12控制器启动对AD0引脚的摄像头视频信号进行采样,直到下一个行同步信号到PT0引脚为止,表示对该场中的这一行图像采集结束;控制器反复执行上述步骤,就可以将一场图像320行信息全部采集出来.2.3 舵机驱动模块该模块主要控制智能车根据引导线形状进行转向.舵机本身是一个位置随动系统,由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成.通过内部设计使舵盘输出转角正比于给定的控制信号.该系统舵机型号为F UT ABA S3020.控制信号是周期为20m s 的P WM 信号,脉冲宽度决定舵机输出的转角.2.4 电机驱动模块车身后置驱动电机是整个智能车的动力来源,采用RS -380直流电机.使用H 桥驱动电路控制电机加速运行、减速制动,控制端信号为两路P WM 信号.为使电路简单,采用MC33886集成全桥驱动芯片,驱动电路设计如图4所示.图4 电机驱动电路图2.5 速度检测模块为使智能车在急转弯时不至于速度过快而冲出道路,控制器除需控制前轮转向外,还需控制车速.该模块采用光电透射式检测方法,将具有齿槽结构的圆盘固定在智能车后轮轴上,圆盘转动时,光电传感器输出脉冲信号,通过整形后送至MC9S12DG128控制器,计算智能车当前运行速度,并根据采样到的引导线形状调整当前智能车的运行速度.3 软件设计3.1 开发软件开发软件采用Freescal 公司的产品Code W arri or 4.0.Code W arri or for S12是Freescal 公司为S12系列处理器提供的嵌入式应用开发软件包,包含集成开发环境I D E 、处理器专家系统、全芯片仿真等,是一款功能强大的图形化编程软件[4].3.2 控制算法将摄像头安装在车体前部中间位置,调整摄像头的安装高度、前倾角和焦距,使所拍摄道路图像清晰,有效视场宽约40.0c m ,有效前瞻距离约50.0c m ,已知引导线宽2.5c m.由摄像头测试可知,摄像头输出的每场320行信号中,第23行到310行为视频信号,前22行和后10行为场消隐信号,即摄像头每场会扫描产生288行有效视频信号,也就是说摄像头在纵向有288个像素的分辨能力.在视频区域中每行信号持续时间相同约64.0μs,行同步脉冲持续约4.7μs,所以每场图像单个视频信号行中有效视频持续的时间约57.3μs .通过对S12控制器AD 时钟频率设置,AD转换时间可设为1.4μs [5],所以每行可采样点数为40个.该智能车每场最大可获得288×40像素分辨率的图像数据.65 华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 2008年10月尽管通过图像处理可以获得更多的道路信息,但会增大S12控制器的数据存储和处理负担.为了简化过程,也可以只使用图像中的一行数据提取引导线位置.提取引导线位置主要有2种方法:一是将图像一行数据中灰度值最低点位置作为引导线中心位置;二是从动态阈值二值化后的图像中进行提取,寻找图像中每行连续黑点最多的一段,以该段中心点的位置作为引导线中心位置.在所采集行40个采样点中,以第20个点为智能车车身位置,提取出引导线中心位置[6-7]所在点,记为x,引导线与车身偏差记为e (x ),e (x )=x -20,则e (x )值从-19到20,共有40种情况.若e (x )=0,表示前方引导线位置与车身位置重合,舵机不输出转角,智能车直行;若e (x )<0,表示前方引导线位置在车身位置左侧,则舵机输出转角驱动智能车左转;同理e (x )>0,表示引导线位置在车身位置右侧,则舵机输出转角驱动智能车右转.同时兼顾当前车速调整驱动电机控制P WM 信号,以使智能车回到引导线的正上方,达到稳定跟踪道路引导线的设计要求.具体参数见表1.表1 控制参数表引导线位置偏差e (x )值方向舵机转角/(°)驱动电机P WM /%1-19右偏-36.474.802-18右偏-34.666.96...............200正上方0.086.27 (39)19左偏34.666.964020左偏36.474.803.3 程序流程主程序采用和P LC 相似的周期性检测控制思想.控制器每检测到摄像头的换场信号,便调用一次视频采样程序和车速检测程序,根据得到的引导线和车速数据,调用舵机和驱动电机控制程序对智能车的运行状态进行实时控制,以完成循线运行的要求,如图5所示.图5 主程序流程图4 结 语测试表明,采用MC9S12DG128控制器和C MOS摄像头检测方式设计并试制的智能寻迹车,检测范围宽,前瞻性强,舵机转向流畅,车体跟踪引导线准确.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[J ].电子产品世界,2006,14(5):150-152.[2]浦东兵,孙英娟,周光有,等.一种嵌入式智能寻迹机器人设计[J ].微计算机信息,2008,24(3-2):241-242.[3]卓晴,王琎,王磊.基于面阵CCD 的赛道参数检测方法[J ].电子产品世界,2006,18(7):143-145.[4]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M ].北京:清华大学出版社,2004:243-255.[5]王威,胡继云,郑维,等.HCS12微控制器原理及应用[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2007:155-181.[6]邱寄帆.移动机器人寻线导航系统的设计与实现[J ].微计算机信息,2006,22(9-2):201-203.[7]万永伦,丁杰雄.一种机器人寻线控制系统[J ].电子科技大学学报,2003,32(1):48-51.D esi gn and Rea li za ti on of Autotrack i n g Smartcar Ba sed on CMO S Cam eraY UN Kang 1,G AO Chao2(1.Zhengzhou University of L ight I ndustry,Zhengzhou 450002,China;2.University of Electr onic Science and Technol ogy of China,Chengdu 610054,China )Abstract:Several key technol ogies of the aut otracking s martcar are analysed .A way of using C MOS ca mera detecti on method of the real 2izati on of the s martcar circuit,contr ol algorith m s,and s oft w are p r ocesses is given .Test results indicates that the car is able t o track the guide line accurately and stably .Key words:ca mera detecti on;m icr o 2contr oller;P WM contr ol;s martcar75第29卷第5期云 康等: 基于C MOS 摄像头的智能寻迹车的设计与实现 。