光電組技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告-文庫吧
2025-06-08 19:07 本頁面
【正文】 硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有搭建好了穩(wěn)定可靠的硬件環(huán)境，才能為后續(xù)的軟件提供幫助，同時(shí)硬件設(shè)計(jì)也能為軟件算法提供一種補(bǔ)償作用，所以說好的硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 、 藍(lán)宙 TSL1401 線性 CCD 環(huán)境光影響問題 試驗(yàn)表明 TSL1401 線性 CCD 的輸出信號(hào)和環(huán)境光線密切相關(guān)，在自然光條件比晚上 燈光下 AO 引腳輸出電壓值高出很多，正對(duì)著光線比背著光線輸出電壓高，白熾燈光下比日光燈下輸出電壓高。因此，同一參數(shù)（曝光時(shí)間、鏡頭光圈）難 以適應(yīng)各種環(huán)境，在光線較弱環(huán)境下的參數(shù)在強(qiáng)光下會(huì)出現(xiàn)輸出飽和，在較強(qiáng)光線下調(diào)節(jié)好的參數(shù)在弱光下輸出電壓過低，甚至處于截止?fàn)顟B(tài)。在智能車應(yīng)用中，白天自然光環(huán)境和晚上燈光環(huán)境、正對(duì)光和背光、不同的比賽場(chǎng)地之間都不能采用相同的曝光參數(shù)。與輸出電壓密切相關(guān)的參數(shù)是曝光量，曝光量取決于 CCD 模塊所采用的鏡頭光圈大小和程序所控制的曝光時(shí)間。智能車為適應(yīng)各種運(yùn)行環(huán)境，必須實(shí)時(shí)感知環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境閉環(huán)調(diào)節(jié)曝光量，使得在不同環(huán)境中曝光量都處于一個(gè)合理的范圍，這樣才能保證在不同環(huán)境中 CCD 輸出電壓在合理范圍，以利于算法提取黑線 信息。鏡頭相關(guān)參數(shù)一旦選定在智能車運(yùn)行難以改變，曝光時(shí)間比較容易通過程序控制，因此比較容易實(shí)現(xiàn)的調(diào)整曝光量方法是通過軟件調(diào)整曝光時(shí)間。曝光時(shí)間調(diào)整方法見“曝光時(shí)間自適應(yīng)策略”一章。 輸出信號(hào)放大 根據(jù)上一章所述，可以通過調(diào)整曝光時(shí)間來適應(yīng)各種環(huán)境，在弱光環(huán)境增大曝光時(shí) 間，在強(qiáng)光下減小曝光時(shí)間。但是曝光時(shí)間不能無限增大的，因?yàn)樵龃笃毓鈺r(shí)間勢(shì)必降低采樣率（每秒采樣次數(shù)）采樣率低控制周期就長(zhǎng)，智能車反應(yīng)就慢。根據(jù)歷屆攝像頭車參賽經(jīng)驗(yàn)， 1米的前瞻， ，控制周期不得高于 20ms（采樣率不得低 于 50Hz），否則智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)反應(yīng)再快也無法很好跟隨賽道而沖出賽道?？刂浦芷诓桓哂?20ms 就意味著曝光時(shí)間不能超過 20ms。試驗(yàn)時(shí)，我們將TSL1401線性 CCD 曝光時(shí)間調(diào)整到 20ms（采用周期 20ms），分別在強(qiáng)光、弱光、燈光不同環(huán)境進(jìn)行采用，采樣數(shù)據(jù)表明環(huán)境光線較弱時(shí) CCD 輸出信號(hào)較低，以致賽道黑第 八 屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 4 線信息不夠明顯，晚上日光燈環(huán)境下輸出信號(hào)電壓值更低，幾乎接近 0，根本無法辨別賽道信息！由于智能車制作和調(diào)試很大部分時(shí)間都是在晚上，因此必須在不降低采樣率的情況下，增大晚上弱光環(huán) 境下線性 CCD 的輸出電壓。要增 大輸出電壓，簡(jiǎn)單有效的方法就是放大輸出信號(hào)，我們可以采用運(yùn)放來放大 AO 輸出信號(hào)。藍(lán)宙電子實(shí)踐表明增大運(yùn)放能非常有效的解決弱光時(shí)輸出電壓低問題，在晚上環(huán)境同樣能達(dá)到 50Hz 的采樣率，這是無運(yùn)放的線性 CCD 無法達(dá)到的。 為了能保證輸出電壓在合理范圍（不飽和、不截止、能分辨賽道黑線），需要根據(jù)選 定的鏡頭確定運(yùn)放放大倍數(shù)。以下是藍(lán)宙電子線性 CCD 模塊（鏡頭為無畸變鏡頭）中的 運(yùn)放電路圖： 其中運(yùn)放放大倍數(shù) A = 1+R5/R4，此電路中 A = 11，也就是對(duì) TSL1401 的 AO 信號(hào)進(jìn)行 11倍放大。 由于增加了運(yùn)放，白天環(huán)境下的采樣率可以調(diào)節(jié)到更高，甚至可以達(dá)到 100Hz。增加 了運(yùn)放也會(huì)帶來一個(gè)問題，就是在全黑的環(huán)境（例如蓋上鏡頭蓋）下線性 CCD 的輸出已經(jīng)不再接近 0V，這里我們稱全黑的環(huán)境對(duì)應(yīng)的電壓為暗電壓，藍(lán)宙電子設(shè)計(jì)的 第二章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 5 CCD 模塊暗電壓是 1V 左右。其實(shí)暗電壓完全不影響上層軟件提取賽道黑線，我們可以把這 個(gè)暗電壓當(dāng)做信號(hào)中的直流分量，將采集的每個(gè)像素點(diǎn)的電壓減去暗電壓就可以了，該方法已經(jīng)驗(yàn)證可行，讀者也可以實(shí)踐。 曝光時(shí)間自適應(yīng)策略 如果競(jìng)賽環(huán)境各個(gè)方向的光線均勻一致，我們可以在賽車出發(fā)前根據(jù)環(huán)境光線調(diào)節(jié) 一個(gè)合理的曝光時(shí)間，以得到合理的輸出，這樣賽車就能采用一個(gè)固定的曝光時(shí)間跑完全程。但是這是最理想的情況，實(shí)際比賽環(huán)境遠(yuǎn)沒有假設(shè)的這么理想，實(shí)際比賽場(chǎng)館會(huì)有窗戶，賽道頂上也可能有燈，因此賽車的前進(jìn)方向正對(duì)窗戶和背對(duì)窗戶不能采用同一曝光參數(shù)，電燈下和里燈較遠(yuǎn)處也不能采用相同曝光參數(shù)。換句話說要想賽車完整跑完全 程需要適時(shí)地、動(dòng)態(tài)的調(diào)整曝光參數(shù)。 以下就藍(lán)宙電子研究的曝光時(shí)間自適應(yīng)策略跟大家做一個(gè)介紹，策略示意圖如下： 線性 CCD 模塊的曝光時(shí)間，反饋是線性 CCD 感應(yīng)到的曝光量。調(diào)節(jié)的目標(biāo)是設(shè)定曝光量?？刂破鞯墓ぷ髟硎菍⒃O(shè)定的曝光量減去實(shí)際曝光量，差值即為曝光量的偏差 e
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