【導讀】車輛智能化是汽車工業(yè)今后發(fā)展的趨勢，人們對汽車安全性、智能化要求越來越高，隨著以計算機技術(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)的研究將會有突破性的進展。進方向，適應(yīng)性強、環(huán)境適應(yīng)性好的智能車輛將是研究的重點。本課題利用CMOS攝像頭識別路徑，使用單片機控制技術(shù)控制智能車行進。MC9S12XS128MAL單片機，用Freescale公司的codewarrier軟件作為軟件開發(fā)和仿真。平臺，采用PID輪速控制算法，完成整個智能自動循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計。小車的速度和轉(zhuǎn)向。但是對圖像采集系統(tǒng)如何能獲得更好的處理方法以獲得更高的測量。精度，提高PID控制算法的精確度等方面有待進一步的提高改善！

　　

【正文】 提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達 1A。雖然是固定穩(wěn)壓電 路， 使用外接元件 時 可獲得不同的電壓和電流。 LM7805 最大的缺點是效率較低，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循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計 18 綜上所述 我選擇了簡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 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比較復雜，不易采集處理，比賽時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 為使提高這個系統(tǒng)速度和易于數(shù)據(jù)采集及處理，在選取攝像頭時，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工作，還需外圍電路支持，才能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光線經(jīng)物體發(fā)射，通過鏡頭聚焦，焦點恰好在傳感器芯片的感光元件上，從而轉(zhuǎn)換成電信號。輸出信號制式為 PAL 電視機制式的攝像頭，一般有四條線：正極，地線，音頻輸出線，視頻輸出線。 工作原理 針對于比賽，黑線吸收光線，將不會反射，傳感器感光元件陣列相對應(yīng)的感光元件不產(chǎn)生電壓信號，即一個低壓信號，而對應(yīng)白線反射光線，通過鏡頭聚焦，在相對應(yīng)的感光元件出產(chǎn)生一個相對高電壓信號，一般峰峰值為 1V。 常用的攝像頭視頻輸出信號是 PAL 電視機制式，它的工作原理與電視機的工作原理相似：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，進行個隔行掃描，總共每秒 50 場信號，每場有 行信息，從奇數(shù)行開始掃描，即依次掃描第 9…… ，當掃描完奇數(shù)場后，再開始掃描偶數(shù)場，構(gòu)成一幀圖像。如圖所示： 基于圖像傳感器的自動循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計 20 圖 41 奇數(shù)場 圖 42 偶數(shù)場 輸出圖像結(jié)構(gòu) 如圖１、２所示，每一行有正 程和逆程，每一場有正程和逆程，逆程是每一行和每一場的消隱，行消隱是電視機的電子槍從電視機屏幕的最左端回到最右端所需的時間，場消隱是電視機的電子槍從電視機屏幕的最末段到起始段所需要的時間。 輸出信號主要包含三個部分：圖像信號、復合消隱信號、復合同步信號，同時其中包括行消隱、場消隱、行同步、場同步。 每一行各個信號時間為： 行掃描時間為 64 μ s 圖像信號 μ s 消隱信號 μ s +250 ns 行同步信號寬度 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行同步信號寬度 4. 7 μ s逆程 11 . 8 μ sμμ 圖 43 行信號分析圖 場信號 每一場信號包括 行， 其中有場消隱信號和場同步信號，各個信號的時間計算如下： 一幀 = 奇數(shù)場 + 偶數(shù)場 625行 = + 場消 隱信號 = 25 ? 64 + = 1600 + = μ s 場同步 = 3 ? 64 = 192 μ s 信號峰峰值 標準電視機信號峰峰值為 1V，以同步信號作為 100%，黑電平和消隱電平為 70%，白電平為 0%，圖像信號介于白電平和黑電平之間，根據(jù)圖像的灰度而變化。 在標準的 1V 全電平信號中 同步信號 +9mV 基于圖像傳感器的自動循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計 22 圖像信號 +20mV 通過示波器觀測到的波形是其倒像， 同步信號 +9mV 圖像信號 +20mV 檢測黑線原理 路徑識別中，黑線和白色底板存在很多大灰度比，在圖像信號上會形成相應(yīng)高低不同的電壓值，當檢測到黑線，圖像信號中將形成一個“凹”形槽，通過 DG128 對信號進行采集，并對數(shù)據(jù)處理，就可以得到黑線相對小車的位置，一幀完 成后，能計算出路徑的整個斜率和偏離量。 視頻信號的主體信號 —— 圖像信號 1. 圖像信號的含義 ： 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，才能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，光線經(jīng)物體發(fā)射，通過鏡頭聚焦，焦點恰好在傳感器芯片的感光元件上，從而轉(zhuǎn)換成電信號及圖像信號。所使用的帶有 OV5116 圖像傳感器攝像頭視頻輸出信號是 PAL電視機制式，它的工作原理與電視機的工作原理相似。 （ 1） 階梯波： 假設(shè)被攝圖像時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 與負極性圖像信號 ： 若圖像最亮時，對應(yīng)的電壓信號幅度最 信號 大，此信號稱正極性圖像信 號 若圖像最暗時對應(yīng)的電壓信號幅度最大，稱此為負極性圖像信號 一般來說，圖像信號是隨機的， 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。因為單位面積光通量越大，人眼感覺越明亮，所以也可以說，亮度是人眼對光明暗程度的感覺。亮度常以 B表示，光通量的單位是燭光（ cd） (2).對比度： 對比度是客觀景物最大亮度與最小亮度之比。當以 K 來表示對比度時， 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)圖像的對比度與原景物的對比度接近相等即可。圖像信號的黑、白電平差別越大，則對比度越高。 (3).灰度： 灰度即亮度級差或稱亮度層次。它反映系統(tǒng)所能重現(xiàn)的原圖像明、暗層次的程度。對于黑白圖像是 指黑白圖像中點的顏色深度， 對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 視頻信號的輔助信號 視頻信號的輔助信號有復合同 步信號和復合消隱信號兩部分 , 視頻圖像每一行有正程和逆程，每一場有正程和逆程，逆程是每一行和每一場的消隱，行消隱是電視機的電子槍從電視機屏幕的最左端回到最右端所需的時間，場消隱是電視機的電子槍從電視機屏幕的最末段到起始段所需要的時間。 其結(jié)構(gòu)圖如下 ： 圖 45 信號結(jié)構(gòu)圖 視頻信號輔助信號 復合同步信號 復合消隱信號 場同步信號 行同步信號 場消隱信號 行消隱信號 基于圖像傳感器的自動循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計 24 為了收、發(fā)同步的需要， 圖像 每當掃描完一行時加入一個行同步脈沖；每當掃描完一場時加入一個 場同步脈沖，它們分別在行與場逆程期間傳送，其寬度分別小于行、場逆程時間。 下圖 中給出了行、場同步信號，通常將行、場同步信號合稱為復合同步信號。 圖 46 復合同步信號 行同步脈沖寬度為 ，脈沖前沿滯后行消隱信號前沿約 ；場同步脈沖寬度為 160μs（ 個行周期），在接收端必須先將這些行、場同步脈沖分離出來，用以分別控制接收機 中的行、場掃描鋸齒波電流的周期和相位。換言之，只有當行、場同步脈沖到來時才開始行與場的回掃，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的掃描逆程中，若不采取措施，將出現(xiàn)行、場回掃線，這將對正程所傳送的圖像起干擾作用。消除回掃線的方法是在行、場掃描的逆程期間，分別加入能使掃描截止的消隱脈沖，即復合消隱脈沖或復合消隱信號。 圖 47 復合消隱信號 發(fā)送端在發(fā)送圖像信號的同時，在逆程 期間將消隱信號也發(fā)送出去。行、場消隱信號的電平等于圖像信號的黑色電平；行、場消隱信號的周期應(yīng)分別與行、場掃描周期相同；行、場消隱脈沖的寬度應(yīng)分別等于行、場掃描的逆程時間。即行消隱脈沖寬度為12μs，場消隱脈沖寬度為 1612μs (其中，包含著一個行的逆程 12μs)。 64us 160us 0 25% 行 同 步脈沖 場 同 步脈沖 75% 0 12us 612us 行消隱 場效隱 t 25 OV7620 黑白攝像頭測試 所購買 OV7620 黑白攝像頭，我們對它的輸出信號參數(shù)進行了相應(yīng)測試。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進行測試，測試結(jié)果如下表： 表 42 攝像頭輸 出信號數(shù)據(jù) 行信號時間 64μs 行同步脈沖時間 圖像信號滯后行脈沖時間 場信號時間 圖像信號起始行 第 26 行 圖像信號截止行 第 300 行 在程序測試中，發(fā)現(xiàn)當場中斷產(chǎn)生時，行中斷標志從零開始計數(shù)，當行中斷標志為25時開始采集的數(shù)據(jù)才為有效數(shù)據(jù)，當行中斷標志為 300 時，為有效數(shù)據(jù)的截止行。 軟件采集流程 縱向采集個數(shù)測試 由上述測試可得到有效視頻信號是從第 26 行開始，到第 288 行結(jié)束，如果采集每一行信息，將超出 MC9S12XEP 的處理能力和存儲空間 。同時在縱向不需要怎么高的分辨率。同時我們對 寬的黑線采集點數(shù)進行了測試。測試方法如下： 基于圖像傳感器的自動循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計 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，對每行視頻信號信號進行采集，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 行計數(shù)變量加 1 行中斷 PJ0 口是否產(chǎn)生 行計數(shù)變量是否大于 300 數(shù)據(jù)采樣程序模塊 開行中斷，行計數(shù) 變量賦零 行計數(shù)變量加 1 以查詢方式讀取 AD 值 行計算變量是否滿足大于 25且除以 6 取余是否為 0 場中斷 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循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計 28 如上面的流程圖所示，整個程序中，場信號和行信號都以中斷的方式產(chǎn)生，這樣可以優(yōu)化程序的運行時間。當 PH4 端口產(chǎn)生場中斷時，運行場中斷函數(shù)，行計算變量清零，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)，行計算變量加一，判斷行計算變量是否滿足大于 25 且除以 6 取余是否為 0，若滿足說明可以對視頻信號進行采集。程序中采取在行中斷中以查詢的方式采集視頻信號，而不使用 AD 中斷方式對數(shù)據(jù)進行采集，因為用 AD 中斷方式 將增多中斷數(shù)量，各個中斷的時序不以控制，以致于出現(xiàn)錯誤采集、漏采集數(shù)據(jù)的情況，同時可以提高 AD 采集的速度。當采集完以后數(shù)據(jù)后