摄像头寻迹智能车的系统设计

摄像头寻迹智能车的系统设计

陈晓涛陈明雷熊慧

（天津工业大学，天津300387）

引言

面对极具竞争力和表演性的全国大学生智能车大赛，快速和稳定是赛车的两个重要指标。其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，能很好的培养参与者知识的融合和实践动手能力。论文结合天津工业大学“第零工作室”实践经历和天津工业大学参与此竞赛的实际经验，讨论智能车控制系统的设计、硬件平台的搭建以及软件系统的实现。

1系统设计

选用飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12XS128作为核心控制单元。以CCD摄像头采集道路信息、光电编码器检测速度和BTS7970B驱动电机。并通过人机交互界面完成系统设定、参数调试和信息显示。系统的总体结构框图见图1:

图1系统结构框图

2硬件设计

2.1单片机最小系统

MC9S12XS128片内存储器拥有128KB程序Flash（P-lash）、8KB RAM、8KB数据Flash（D-lash）[2]。主要功能模块包括：内部存储器、内部PLL锁相环模块、2个异步串口通信SCT、1个串行外设接口SPI、MSCAN模块、1个8通道输入/输出比较定时器模块TIM、周期中断定时器模块PIT、16通道A/D转换模块ADC、1个8通道脉冲宽度调制模块PWM、输入/输出数字I/O口。使用16M外部晶振，通过PLL锁相环最高倍频可达96M；最小系统包括外部晶振、复位电路及BDM调制接口电路等。

2.2电机驱动

电机驱动电路采用2个“PN半桥”智能功率驱动芯片BTS7970B组成一个H全桥驱动电路驱动直流电机转动（图2）。BTS7970B工作电压在5.5～28V之间，通态电阻典型值为16mΩ,驱动电流可达68A。以频率为25kHz的脉宽调制（PWM）信号控制BTS7970B的开关动作，实现电机的正反转PWM驱动和反接制动[3]。BTS7970B开关频率可以到达25kHz，可以很好的解决电机的噪音大和发热问题，并且驱动能力高，响应速度快。

图2H桥BTS7970B驱动原理图

2.3码盘测速

光电编码器能将角位移量转换为与之对应的电脉冲进行输出,其不仅可以测转速，而且可以检测旋转方向。利用摄像头的场中断

作为测速周期，在进中断时读取脉冲值，即速度采样周期为摄像头场中断时间T=0.02s。在采样前首先将码盘的脉冲数记入累加寄存器PACNT内，中断时直接读取寄存器值并清零寄存器。在速度计算前必须通过准确多次测量取平均值的方法得到小车行驶1m的脉冲数M，然后才能较为准确的计算小车行驶速度。速度计算公式：

2.4摄像头及外部A/D

2.4.1摄像头的选取

摄像头以输出信号的不同分为数字摄像头和模拟摄像头两大类，以传感器的不同又分为CCD摄像头（电荷耦合器件）和CMOS 摄像头（互补金属氧化物导体）。CCD摄像头成像质量好，灵敏度、分辨率高、噪音影响弱，要求的供电电源高，功耗大。而CMOS摄像头要求的供电电源低，功耗小，低成本，整合度高，但成像不及CCD摄像头好。由于智能车的摄像头安装相对于赛道存在一定的倾斜角度，采集到的赛道图像会产生梯形失真，即图像中的赛道远端窄、近端宽，远端图像不清晰，加上车高速行驶时会出现图像模糊现象和且容易受到比赛场地光线的影响，所有小车最终选取了CCD模拟黑白摄像头作为传感器。

2.4.2摄像头图像信号简介

摄像头按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。图像白色灰度值对应视频信号高电压，黑色灰度值对应视频信号低电压。摄像头连续扫描图像上的一行，就输出一段连续的电压信号，信号的高低起伏反映了该行图像的灰度变化。摄像头每秒扫描25幅图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描50场图像（T=20ms）。奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行,场与场间有场消隐区、复合消隐脉冲、场同步脉冲,行与行间有行消隐区、行同步脉冲，如图3所示。

图3摄像头视频信号

2.4.3摄像头的安装

摄像头安装时，我们把摄像头倒装在支架上。这样摄像头最先采集的就是距离小车最前端的跑道,为之后的程序编写和数据处理带来很多便利。历届智能车比赛都是跑道中心黑线，而这届比赛是跑道两边黑线，这要求摄像头的安装必须更加合理。如果把摄像头架得过低或俯视角α过大，就会导致摄像头采集更易受周边光线的影响，且车前左右两边盲区大，以致看不见左右两边黑线；如果架得过高会又会抬高小车重心、加大摄像头震动幅度，带来数据失真后果；而又如果摄像头安装俯视角α过小，就会导致小车获得前瞻小，不利于小车的提速。摄像头的安装合理性是后期程序编写的前提，我们通过把摄像头的采集到的图像传输到PC机上，通过不断实时调整找到一个高度和倾斜角都很合适的位置，然后固定摄像头。摄像头安装示意如图4所示.

2.4.4图像采集

单片机要能有效地对视频信号进行采样，首先要处理好的问题是如何提取出摄像头信号中的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲。我们给单片机配以合适的外围芯片LM1881，视频同步信号分离

摘要：以全国大学生“飞思卡尔”杯智能车竞赛为背景，设计能够自主识别路径的智能车系统。该系统采用“飞思卡尔”16位单片机MC9S12XS128作为控制核心；采用面阵CCD光电传感器进行模式识别；运用PID控制策略形成速度闭环控制；通过最小二乘法控制小车前轮转向。实践证明小车能够精准识别路线，并在赛道上快速行驶。

关键词：智能车；MC9S12XS128;CCD图像检测；PID控制

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芯片LM1881可从摄像头信号中提取信号的时序信息，如行同步脉冲、场同步脉冲和奇、偶场信息等，并将它们转换成TTL电平直接输给单片机的I/O口作控制信号之用。LM1881的端口接线原理图如图5所示。

图5LM1881接线原理图

在图像信号处理时我们采用外部AD技术，并选用TLC5510AI 作为AD转换芯片。该芯片是一款20M高速八位并行接口AD，其精度高、转换速度快、操作简便、外围电路简单。其电路如图6所示。

图6TLC5510AI外部AD电路图

3软件系统

3.1主程序算法

程序主要包括：各模块初始化、摄像头数据提取、赛道数据分析、速度控制、方向控制、速度检测、键盘扫描、数据通信、功能显示与参数设定等模块。控制算法主要包括以下三个方面：摄像头循线和黑线提取算法、最小二乘法求黑线斜率控制舵机、速度PID控制。其中黑线的准确提取（即赛道的识别）和舵机转向的控制是智能车稳定行驶的前提，如果识别和转向控制没有做好，小车就不能顺利跑完全程。而速度PID的控制是实现小车直道加速、弯道减速和速度平稳的关键。主程序流程如图7.

图7主程序流程图

3.2循线采集方案

小车所用摄像头像素为537×597，采集图像已经很清晰。但由于S12能力的限制，不可能把所有摄像头采集的数据都加以运用。在保证提取数据能够比较准确的反映道路信息的前提下，我们只用到一帧图像一场数据中的部分行数。而且，比赛跑道中间为白色底板，两侧边沿为黑色引线，干扰信息较少，因此只要在一行上采集到主够多的信息点，不需要太多的行数便可以现实对黑线的检测。经过多次实践测试，我们最后在每帧图像的奇场中取小车前瞻0.1m～1.2m/1.5m中的40行，每行采集了105个点，其中行数的确定是根据实际跑道等间距(行间距2-4mm)在线测试选取的。

3.3黑线的提取

在每场采集到的40×105的二维数组中，我们采用跟踪边沿检测法来实现跑道边沿位置的提取。由于赛道的白色底板和黑色引导线的灰度值相差很大，因此我们每行可以确定一个黑色和白色的阀值来提取黑线沿。判断相隔1个点的两个数据点灰度差值是否大于或小于该行的阀值（边沿差值），从而确定此时是否是黑线的边沿，找到黑线边沿之后，在通过确定黑线的宽度来滤除杂点。当每场两侧各自第一次找到黑线沿之后，则之后下一行两边就在它的前一行附近进行检测，这样可以大大减少程序运行时间，提高程序效率。黑线提取示意图如图8，9所示.

图8黑线提取示意图图9跟踪边沿检测示意图

3.4最小二乘法拟合黑线

把跑道两边黑线沿提取出来后，我们得到的是两组离散的有限序列的点和即左边黑线、右边黑线（代表行数取代表这一行中左右两边黑线的位置）。这时我们采取最小二乘法拟合两个函数使其分别通过或近似通过这两组离散点，以求的拟合黑线的斜率，来控制舵机打角，引导小车行进。

最小二乘法：对给定数据点{(X i,Y i)}(i=0,1,…，m)，在取定的函数类Φ中，求Y=F(X)且Y∈Φ，使实测值Y i与计算值(Yj=a0+a1X)的离差(Y i-Y j)的平方和Σ(Yi-Yj)2最小。从几何意义上讲，就是寻求与给定点{(X i,Yi)}(i=0,1,…，m)的距离平方和为最小的曲线Y=F(X)，函数Y=F(X)称为拟合函数或最小二乘解[6]。

拟合公式：Y j=a0+a1X

其中a1就是我们要求的黑线拟合斜率,a0为回正调整量。它们只是一个数不能直接控制舵机，需要将其转换为控制舵机转角的PWM占空比，PWM占空比之后会随变化增大或减小，便可以控制舵机打角的大小，从而实现小车转向。

3.5PID控制算法

本设计采用增量式PID控制电机，控制方法如下：

式中：△u(k)为第k次输出增量；

则k p、k i、k d分别为比例、积分、微分的调节参数；

e(k)-e(k-1)代表速度偏差。

PID控制器原理图如图10所示。采样的反馈值y(t)为单片机脉冲累加器中的脉冲数，输出u(n)并不能直接控制电机，需要将其转换为控制PWM占空比，然后用来增大或减小PWM占空比的方法实现对电机的加减速控制。

图10PID控制器原理图

4总结

本设计使用了MC9S12XS128单片机的大多数模块，充分利用了单片机资源。整个设计过程：从最初的摄像头的选取，CCD摄像头的安装位置的调整，主板电路的设计与检测，再到控制算法的编

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写和调试，最终设计出稳定参赛赛车，参与者的科研能力和动手能力得以锻炼，积累了不少宝贵的项目开发经验。该技术法案还可推广到机器人研究，汽车智能化等方面，具有较广泛的应用价值。

参考文献

[1]卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车[M].北京:北京航天航空大学出版社,2007.

[2]邵贝贝.Freescale9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京:机械工业出版社，2008.[3]王名发，江智军，邹会权.智能车竞赛中直流电机调速系统的设计与比较[J].微型机应用,2009,28(20):19-25.

[4]唐红雨，陈迅.高速图像数据采集与处理系统的硬件设计[J].电子技术，2006，33（12）:55-60.

[5]范立南，张广渊，韩晓微.图像处理与模式识别[M].北京：科学出版社，2007.

[6]陶长琪．计量经济学：东北财经大学，2011：45-47.

[7]曹承志.微型计算机控制技术.北京：化学工业出版社[M]，2008.

基于ANSYS的平板凳有限元分析

缪丹云李锡恩刘振敏

（华南理工大学广州学院，广东广州510800）

平板凳结构简单，使用方便，占地面积小，在日常生活工作中随处可见，扮演着一个不可缺少的角色，但是往往比较容易损坏。本文利用ANSYS有限元分析软件对平板凳进行强度和变形分析，找出结构最易破坏的地方，判断其是否合理利用材料。

1平板凳的建模

1.1平板凳SOLIDWORKS模型的建立

平板凳为左右对称结构，材料选用松木，弹性模量EX=2.1e4pa，泊松比PRXY=0.33，顺纹极限强度为80MPa。根据日常生活中平板凳的实际尺寸，在SOLIDWORKS软件中建立模型，见图1。

图1平板凳模型图2平板凳有限元分析模型

1.2模型的导入

平板凳模型建立的目的是为了后续的有限元分析,因此将简化后的SOLIDWORKS模型导入ANSYS软件，转化为有限元分析模型，这样大大提高了建模的效率。图2为导入后的模型。

2单元属性的定义

进行任何有限元分析都必须选择合适的单元类型，单元类型决定附加的自由度。对于平板凳，主要承受竖直压力，因此选用实体单元SOLID92进行结构离散。该单元为10节点单元，每个节点有三个自由度：X、Y、Z方向的转动；具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力强化、大变形、大应变的特性。

3网格的划分

网格划分的过程就是结构离散化的过程，通常划分的单元越多越密集，就越能反映实际结构状况，计算精度越高，计算工作量越大，计算时间增长。本文结构较简单，故采用自动网格划分方法进行网格划分，网格精度取SMRT6，共划分成32149个单元、46725个节点。网格划分结果如图3所示。

图3网格划分后的平板凳模型图4加载后的平板凳模型

4载荷的施加

有限元网格划分好后，进行施加荷载和定义边界条件，荷载和边界条件施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性、合理性。本文模拟的是约65Kg体重的人双脚完全悬空坐于凳子上,静态状况下平板凳主要受到载重人体的重力，并对4个凳脚全约束以及施加5000Pa的压力在平板凳的座板上。通过加载后的情况如图4所示。

5后处理

ANSYS软件将对自动划分的每一单元的节点进行计算。在结构分析完成后,可进入通用后处理器和时间历程后处理器中浏览分析结果。图5和图6分别为平板凳总变形图和等效应力分布图。

图5总变形图图6等效应力分布图6结果分析

6.1本文中平板凳为对称结构承受对称载荷，显然应有对称性，从图5和图6可以看出，位移和应力的解都是对称的，符合推断；轴力和弯矩在正负数值上的分布也是符合直观判断；故可确定本次分析结果是客观的，较为真实地反映了平板凳的受力情况。

6.2平板凳的材料是松木，从图5和图6中可看到最大变形和最大等效应力发生在平板凳的中心以及凳脚与座板的连接处，应力大小为0.76MPa，远低于松木的顺纹极限强度80MPa；故平板凳在载荷65Kg的人双脚离地坐于座板上，能够满足强度要求，且还有很大的承载潜力。

6.3平板凳的最大等效应力远小于材料的许用应力，材料特性没有充分发挥出来，因此有必要对平板凳的结构进行优化，比如把实体座板挖出几道空槽，适当减小凳腿的截面积等，进一步提升材料利用率。

参考文献

[1]邓凡平.ANSYS12有限元分析自学手册[M].人民邮电出版社，2011.2.1:2-300.

[2]王庆五.ANSYS10.0机械设计高级应用实例（第2版）[M].机械工业出版社，2006.1.

[3]易日.使用ANSYS6.1进行结构力学分析[M].北京大学出版社.，2004：46-50.

摘要：在日常生活工作中，我们经常接触到各种各样的家具用品，而平板凳扮演着一个不可缺少的角色。本文利用ANSYS有限元分析软件对平板凳进行强度和变形分析，找出结构最易破坏的地方，判断其是否合理利用材料。

关键词：ANSYS；有限元分析；平板凳

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