【導(dǎo)讀】車輛智能化是汽車工業(yè)今后發(fā)展的趨勢(shì)，人們對(duì)汽車安全性、智能化要求越來越高，隨著以計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)的發(fā)展，智能車輛技術(shù)的研究將會(huì)有突破性的進(jìn)展。進(jìn)方向，適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好的智能車輛將是研究的重點(diǎn)。本課題利用CMOS攝像頭識(shí)別路徑，使用單片機(jī)控制技術(shù)控制智能車行進(jìn)。MC9S12XS128MAL單片機(jī)，用Freescale公司的codewarrier軟件作為軟件開發(fā)和仿真。平臺(tái)，采用PID輪速控制算法，完成整個(gè)智能自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)。小車的速度和轉(zhuǎn)向。但是對(duì)圖像采集系統(tǒng)如何能獲得更好的處理方法以獲得更高的測(cè)量。精度，提高PID控制算法的精確度等方面有待進(jìn)一步的提高改善！

　　

【正文】 提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 1A。雖然是固定穩(wěn)壓電 路， 使用外接元件 時(shí) 可獲得不同的電壓和電流。 LM7805 最大的缺點(diǎn)是效率較低，大部分電腦被轉(zhuǎn)換成熱能消耗，但是成本低廉，而且，小車運(yùn)行所需電流最大也不超過 500mA，所以用 LM7805 已經(jīng)足夠了 基于圖像傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 綜上所述 我選擇了簡(jiǎn)單而且成本低且易于購買到的 LM7805 穩(wěn)壓芯片，電路原理圖如下： IN12OUT3GNDU7LM7805CTC153C154VCC1 19 第 4 章 圖像采集模塊設(shè)計(jì) 小車最終方案選取了 CMOS 攝像頭方案， CMOS 攝像頭分為黑白和彩色，由于彩色攝像頭的輸出信號(hào)比較復(fù)雜，不易采集處理，比賽時(shí)只需分辨賽道的灰度，黑白攝像頭已經(jīng)足夠。 所選取的 CMOS 攝像頭基本參數(shù)為： 表 performance index Spex and model resolution ratie supply voltage consumed power illumination output standard lens focus and visual angle SS2020B white and black series 350 line 69v PAL/NTSC 69。 90mW 為使提高這個(gè)系統(tǒng)速度和易于數(shù)據(jù)采集及處理，在選取攝像頭時(shí)，我們盡量采用線數(shù)低的攝像頭。 攝像頭結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出信號(hào)制式 攝像頭結(jié) 構(gòu) 攝像頭一般由鏡頭、傳感器芯片、外圍電路組成。傳感器芯片不能單獨(dú)工作，還需外圍電路支持，才能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光線經(jīng)物體發(fā)射，通過鏡頭聚焦，焦點(diǎn)恰好在傳感器芯片的感光元件上，從而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。輸出信號(hào)制式為 PAL 電視機(jī)制式的攝像頭，一般有四條線：正極，地線，音頻輸出線，視頻輸出線。 工作原理 針對(duì)于比賽，黑線吸收光線，將不會(huì)反射，傳感器感光元件陣列相對(duì)應(yīng)的感光元件不產(chǎn)生電壓信號(hào)，即一個(gè)低壓信號(hào)，而對(duì)應(yīng)白線反射光線，通過鏡頭聚焦，在相對(duì)應(yīng)的感光元件出產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)高電壓信號(hào)，一般峰峰值為 1V。 常用的攝像頭視頻輸出信號(hào)是 PAL 電視機(jī)制式，它的工作原理與電視機(jī)的工作原理相似：在一定分辨率下，每秒掃描 25 幀圖像，每幀圖像含有 625 行信息，分為奇、偶場(chǎng)，進(jìn)行個(gè)隔行掃描，總共每秒 50 場(chǎng)信號(hào)，每場(chǎng)有 行信息，從奇數(shù)行開始掃描，即依次掃描第 9…… ，當(dāng)掃描完奇數(shù)場(chǎng)后，再開始掃描偶數(shù)場(chǎng)，構(gòu)成一幀圖像。如圖所示： 基于圖像傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 圖 41 奇數(shù)場(chǎng) 圖 42 偶數(shù)場(chǎng) 輸出圖像結(jié)構(gòu) 如圖１、２所示，每一行有正 程和逆程，每一場(chǎng)有正程和逆程，逆程是每一行和每一場(chǎng)的消隱，行消隱是電視機(jī)的電子槍從電視機(jī)屏幕的最左端回到最右端所需的時(shí)間，場(chǎng)消隱是電視機(jī)的電子槍從電視機(jī)屏幕的最末段到起始段所需要的時(shí)間。 輸出信號(hào)主要包含三個(gè)部分：圖像信號(hào)、復(fù)合消隱信號(hào)、復(fù)合同步信號(hào)，同時(shí)其中包括行消隱、場(chǎng)消隱、行同步、場(chǎng)同步。 每一行各個(gè)信號(hào)時(shí)間為： 行掃描時(shí)間為 64 μ s 圖像信號(hào) μ s 消隱信號(hào) μ s +250 ns 行同步信號(hào)寬度 μ s+100 ns 行延遲 μ s+250 ns 如圖所示： 21 V1 V0 V μ s μ s行延遲 1. 3 μ s行同步信號(hào)寬度 4. 7 μ s逆程 11 . 8 μ sμμ 圖 43 行信號(hào)分析圖 場(chǎng)信號(hào) 每一場(chǎng)信號(hào)包括 行， 其中有場(chǎng)消隱信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)，各個(gè)信號(hào)的時(shí)間計(jì)算如下： 一幀 = 奇數(shù)場(chǎng) + 偶數(shù)場(chǎng) 625行 = + 場(chǎng)消 隱信號(hào) = 25 ? 64 + = 1600 + = μ s 場(chǎng)同步 = 3 ? 64 = 192 μ s 信號(hào)峰峰值 標(biāo)準(zhǔn)電視機(jī)信號(hào)峰峰值為 1V，以同步信號(hào)作為 100%，黑電平和消隱電平為 70%，白電平為 0%，圖像信號(hào)介于白電平和黑電平之間，根據(jù)圖像的灰度而變化。 在標(biāo)準(zhǔn)的 1V 全電平信號(hào)中 同步信號(hào) +9mV 基于圖像傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 圖像信號(hào) +20mV 通過示波器觀測(cè)到的波形是其倒像， 同步信號(hào) +9mV 圖像信號(hào) +20mV 檢測(cè)黑線原理 路徑識(shí)別中，黑線和白色底板存在很多大灰度比，在圖像信號(hào)上會(huì)形成相應(yīng)高低不同的電壓值，當(dāng)檢測(cè)到黑線，圖像信號(hào)中將形成一個(gè)“凹”形槽，通過 DG128 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)數(shù)據(jù)處理，就可以得到黑線相對(duì)小車的位置，一幀完 成后，能計(jì)算出路徑的整個(gè)斜率和偏離量。 視頻信號(hào)的主體信號(hào) —— 圖像信號(hào) 1. 圖像信號(hào)的含義 ： 攝像頭一般由鏡頭、傳感器芯片、外圍電路組成。傳感器芯片在外圍電路支持下，才能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，光線經(jīng)物體發(fā)射，通過鏡頭聚焦，焦點(diǎn)恰好在傳感器芯片的感光元件上，從而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)及圖像信號(hào)。所使用的帶有 OV5116 圖像傳感器攝像頭視頻輸出信號(hào)是 PAL電視機(jī)制式，它的工作原理與電視機(jī)的工作原理相似。 （ 1） 階梯波： 假設(shè)被攝圖像時(shí)從左到右亮度遞減的五條由白→灰→ 黑而變化的圖像，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的 相應(yīng)電壓波形為階梯波 (如下圖所示 )。 圖 44 階梯波示意圖 （ 2）正極性圖像信號(hào) 與負(fù)極性圖像信號(hào) ： 若圖像最亮?xí)r，對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)幅度最 信號(hào) 大，此信號(hào)稱正極性圖像信 號(hào) 若圖像最暗時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)幅度最大，稱此為負(fù)極性圖像信號(hào) 一般來說，圖像信號(hào)是隨機(jī)的， 約為 白 淺灰 灰 深灰 黑 23 (1).亮度： 亮度通常是指單位面積的光通量。因?yàn)閱挝幻娣e光通量越大，人眼感覺越明亮，所以也可以說，亮度是人眼對(duì)光明暗程度的感覺。亮度常以 B表示，光通量的單位是燭光（ cd） (2).對(duì)比度： 對(duì)比度是客觀景物最大亮度與最小亮度之比。當(dāng)以 K 來表示對(duì)比度時(shí)， K=Bmax/Bmin電視圖像的亮度一般都低于原景物亮度，考慮到人眼的適應(yīng)性，只要保持重現(xiàn)圖像的對(duì)比度與原景物的對(duì)比度接近相等即可。圖像信號(hào)的黑、白電平差別越大，則對(duì)比度越高。 (3).灰度： 灰度即亮度級(jí)差或稱亮度層次。它反映系統(tǒng)所能重現(xiàn)的原圖像明、暗層次的程度。對(duì)于黑白圖像是 指黑白圖像中點(diǎn)的顏色深度， 對(duì)于八位精度的灰度圖像灰度值 范圍一般從 0 到 255，白色為 255 ，黑色為 0 視頻信號(hào)的輔助信號(hào) 視頻信號(hào)的輔助信號(hào)有復(fù)合同 步信號(hào)和復(fù)合消隱信號(hào)兩部分 , 視頻圖像每一行有正程和逆程，每一場(chǎng)有正程和逆程，逆程是每一行和每一場(chǎng)的消隱，行消隱是電視機(jī)的電子槍從電視機(jī)屏幕的最左端回到最右端所需的時(shí)間，場(chǎng)消隱是電視機(jī)的電子槍從電視機(jī)屏幕的最末段到起始段所需要的時(shí)間。 其結(jié)構(gòu)圖如下 ： 圖 45 信號(hào)結(jié)構(gòu)圖 視頻信號(hào)輔助信號(hào) 復(fù)合同步信號(hào) 復(fù)合消隱信號(hào) 場(chǎng)同步信號(hào) 行同步信號(hào) 場(chǎng)消隱信號(hào) 行消隱信號(hào) 基于圖像傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 為了收、發(fā)同步的需要， 圖像 每當(dāng)掃描完一行時(shí)加入一個(gè)行同步脈沖；每當(dāng)掃描完一場(chǎng)時(shí)加入一個(gè) 場(chǎng)同步脈沖，它們分別在行與場(chǎng)逆程期間傳送，其寬度分別小于行、場(chǎng)逆程時(shí)間。 下圖 中給出了行、場(chǎng)同步信號(hào)，通常將行、場(chǎng)同步信號(hào)合稱為復(fù)合同步信號(hào)。 圖 46 復(fù)合同步信號(hào) 行同步脈沖寬度為 ，脈沖前沿滯后行消隱信號(hào)前沿約 ；場(chǎng)同步脈沖寬度為 160μs（ 個(gè)行周期），在接收端必須先將這些行、場(chǎng)同步脈沖分離出來，用以分別控制接收機(jī) 中的行、場(chǎng)掃描鋸齒波電流的周期和相位。換言之，只有當(dāng)行、場(chǎng)同步脈沖到來時(shí)才開始行與場(chǎng)的回掃，這就可保證收、發(fā)雙方掃描電流的頻率和相位都相同，即可保證同步 。 。 在圖像的分解或恢復(fù)的掃描逆程中，若不采取措施，將出現(xiàn)行、場(chǎng)回掃線，這將對(duì)正程所傳送的圖像起干擾作用。消除回掃線的方法是在行、場(chǎng)掃描的逆程期間，分別加入能使掃描截止的消隱脈沖，即復(fù)合消隱脈沖或復(fù)合消隱信號(hào)。 圖 47 復(fù)合消隱信號(hào) 發(fā)送端在發(fā)送圖像信號(hào)的同時(shí)，在逆程 期間將消隱信號(hào)也發(fā)送出去。行、場(chǎng)消隱信號(hào)的電平等于圖像信號(hào)的黑色電平；行、場(chǎng)消隱信號(hào)的周期應(yīng)分別與行、場(chǎng)掃描周期相同；行、場(chǎng)消隱脈沖的寬度應(yīng)分別等于行、場(chǎng)掃描的逆程時(shí)間。即行消隱脈沖寬度為12μs，場(chǎng)消隱脈沖寬度為 1612μs (其中，包含著一個(gè)行的逆程 12μs)。 64us 160us 0 25% 行 同 步脈沖 場(chǎng) 同 步脈沖 75% 0 12us 612us 行消隱 場(chǎng)效隱 t 25 OV7620 黑白攝像頭測(cè)試 所購買 OV7620 黑白攝像頭，我們對(duì)它的輸出信號(hào)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試。將攝像頭視頻輸出接在 LM1881引腳 2 上，示波器探頭分別懸掛在 LM1881 引腳 7進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下表： 表 42 攝像頭輸 出信號(hào)數(shù)據(jù) 行信號(hào)時(shí)間 64μs 行同步脈沖時(shí)間 圖像信號(hào)滯后行脈沖時(shí)間 場(chǎng)信號(hào)時(shí)間 圖像信號(hào)起始行 第 26 行 圖像信號(hào)截止行 第 300 行 在程序測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)場(chǎng)中斷產(chǎn)生時(shí)，行中斷標(biāo)志從零開始計(jì)數(shù)，當(dāng)行中斷標(biāo)志為25時(shí)開始采集的數(shù)據(jù)才為有效數(shù)據(jù)，當(dāng)行中斷標(biāo)志為 300 時(shí)，為有效數(shù)據(jù)的截止行。 軟件采集流程 縱向采集個(gè)數(shù)測(cè)試 由上述測(cè)試可得到有效視頻信號(hào)是從第 26 行開始，到第 288 行結(jié)束，如果采集每一行信息，將超出 MC9S12XEP 的處理能力和存儲(chǔ)空間 。同時(shí)在縱向不需要怎么高的分辨率。同時(shí)我們對(duì) 寬的黑線采集點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試方法如下： 基于圖像傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 圖 48 采集示意圖 將貼有黑線的跑道與攝像頭的縱向垂直，對(duì)每行視頻信號(hào)信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)采集分析，總共有 8行數(shù)據(jù)采集到 的黑線，故我們編寫程序從第 25行開始每 6 行采集一次，一共能采集 46行有效數(shù)據(jù)。 27 數(shù)據(jù)采集流程： 圖 49 數(shù)據(jù)采集流程 行計(jì)數(shù)變量加 1 行中斷 PJ0 口是否產(chǎn)生 行計(jì)數(shù)變量是否大于 300 數(shù)據(jù)采樣程序模塊 開行中斷，行計(jì)數(shù) 變量賦零 行計(jì)數(shù)變量加 1 以查詢方式讀取 AD 值 行計(jì)算變量是否滿足大于 25且除以 6 取余是否為 0 場(chǎng)中斷 PH4 口是否產(chǎn)生 行中斷 PJ0 口是否產(chǎn)生 其它模塊程序 基于圖像傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 如上面的流程圖所示，整個(gè)程序中，場(chǎng)信號(hào)和行信號(hào)都以中斷的方式產(chǎn)生，這樣可以優(yōu)化程序的運(yùn)行時(shí)間。當(dāng) PH4 端口產(chǎn)生場(chǎng)中斷時(shí)，運(yùn)行場(chǎng)中斷函數(shù)，行計(jì)算變量清零，打開行中斷，若 PJ0 端口產(chǎn)生了行中斷，執(zhí)行行中斷函數(shù)，行計(jì)算變量加一，判斷行計(jì)算變量是否滿足大于 25 且除以 6 取余是否為 0，若滿足說明可以對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集。程序中采取在行中斷中以查詢的方式采集視頻信號(hào)，而不使用 AD 中斷方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，因?yàn)橛?AD 中斷方式 將增多中斷數(shù)量，各個(gè)中斷的時(shí)序不以控制，以致于出現(xiàn)錯(cuò)誤采集、漏采集數(shù)據(jù)的情況，同時(shí)可以提高 AD 采集的速度。當(dāng)采集完以后數(shù)據(jù)后