【導(dǎo)讀】以全國飛思卡爾智能車大賽為背景的智能車攝像頭控制系統(tǒng)是本論文的重點。采集模塊、執(zhí)行模塊電路設(shè)計、以及電源管理模塊。在硬件設(shè)計方面，自行設(shè)計實現(xiàn)。在軟件方面，軟件系統(tǒng)以飛思卡爾16位單片MC9S12DG128作為系統(tǒng)。獲取實時賽道信息，通過邊緣檢測方法提取賽道黑線，求出小車與黑線間的位置偏差，采用PD控制算法對舵機轉(zhuǎn)向進行控制。制策略形成速度閉環(huán)控制。從控制算法、視頻采集和圖像處理以及車體控制幾個方面。來了解控制原理。

　　

【正文】 機響應(yīng)速度 攝像頭傳感器部分 檢測賽道路徑參數(shù)可以使用多種傳感器件，例如光電管、 CCD圖像傳感器、 CMOS 圖像傳感器。各種檢測方法都有相應(yīng)的優(yōu)缺點。檢測方案的確定，需要參考賽道的物理條件、控制精度要求以及控制器的處理能力。 針對比賽賽道的特點 ，本系統(tǒng)采用 CMOS攝像頭作為檢測賽道的傳感器。通過鏡頭焦距的不同，可以將車模前方不同范圍的道路圖像映射到器件中，得到車模前方的道路信息，對圖像中的道路參數(shù)進行檢測。這種檢測方法不僅可以識別道路的中心位置，同時還可以獲得道路的方向、曲率等信息。利用圖像信息處理的方式得到道路信息，可以有效進行車模運動控制，提高車模運行速度并且增加路徑跟蹤精度。 0V6620 圖像傳感器 應(yīng)用 OV6620 CMOS圖像傳感器是單片高性能的視頻及圖像器件。它內(nèi)置一個 352 288 的圖像陣列，并具有高達 60幀每秒 的圖像捕捉能力。該傳感器具有運用高級算法消除 固定模式噪聲 (FPN)、消除拖尾、抑制高光溢出等專利技術(shù)。所有的攝像機功能，包 括曝光控制、伽馬、增益、白平衡、色彩矩陣、窗 151大小等等都可以通過 I2C接口進行編程配置。 OV6620數(shù)字圖像傳感器可以提供 8位或 16位格式的數(shù)字圖像輸出 。 0V6620特性： 陣列元素： 256+292 像素尺寸 ： *8． 2微米 傳感器尺寸 ： 2． 5毫米 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 38頁 第 18 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 最大幀速率 ： 60幀 /秒 電子曝光 ： 500： 1 掃描模式 ： 逐行掃描 伽馬校正 ： 最小亮度 ： 31ux@f1． 2 信噪比： 48Db 為使數(shù)字圖像傳感器 OV6620 工作在符合使用要求的狀態(tài)下，需少量外圍電路支持。此外，單芯片圖像傳感器的使用必須結(jié)合透鏡鏡頭組來實現(xiàn)成像功能，鏡頭組的合理安裝也是值得注意的問題。這里根據(jù)項目要求設(shè)計了一個攝像頭模塊，模塊包括一塊安裝了 OV6620 圖像傳感器的 40*28mmPCB、外圍電路以及一個定焦鏡頭。 OV6620數(shù)字圖像傳感器的外圍電路主要分為時鐘輸入、電源去耦兩個部分。模塊的時鐘輸入部分采用晶振時鐘源和外部時鐘源兩 種輸入方式兼容的設(shè)計，如圖所示。 圖 310 時鐘源部分電路設(shè)計 0V6620 模塊設(shè)計中問題是電源的設(shè)計。由于 0V6620 是數(shù)字模擬混合電路，因此，在電源的分配上有著信號、數(shù)字、模擬電源以及數(shù)字地和模擬地的區(qū)分。該設(shè)計的合理性直接關(guān)系到模塊工作的 穩(wěn)定性。如圖所示 圖 311 電源濾波設(shè)計圖 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 38頁 第 19 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 舵機轉(zhuǎn)角的預(yù)測算法 （ 1） 當前賽道信息的識別與控制 一場圖像數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，賽道的路徑信息會清晰的再現(xiàn)出來。根據(jù)整幅圖像黑線的有效起點和有效終點的斜率和偏離圖像中心位置的偏移量，就可 以判斷當前賽道是直道還是彎道。 根據(jù)這些信息給定舵機的控制量。此方案獲的主要思想如下：首先找到圖像數(shù)據(jù)最近位置的第一個有效行，同時記錄黑線的中心位置信息，定義為（ X0，Y0 ）。 然后再找最遠位置的第一個有效行，以及其黑線中心位置，定義為（ X1， Y1 ）。據(jù)此算出黑線的斜率（ Y1 Y0 ） / （ X1 X0 ），和黑線偏離圖 像中心位置的偏移量 | X0 |。其示意圖如下圖所示： 圖 312 黑線偏離圖 舵機控制量 = K0*X0 + K1* （ X1 X0 ） /（ Y1 Y0 ） （ 45） 根據(jù)不斷的調(diào)試和經(jīng)驗數(shù)據(jù)得到比例系數(shù) K0， K1 的確切的值。 （ 2） 對未來賽道信息的預(yù)測與控制 單純的判斷當前賽道的信息，不能十分準確地給出舵機轉(zhuǎn)角的控制量。小車在高速運行時，遇到比較急的彎道，容易出現(xiàn)差錯。經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)角控制量滯后而沖出跑道。鑒 于此，我們在原方案的基礎(chǔ)上添加了預(yù)測算法。 根據(jù) CCD 視頻圖像的掃描特點，前視距離較遠處掃描到的圖像含有信息較多，所以根據(jù)一幅圖像的前視距離最遠處 1/4 段曲線的切線可以預(yù)測到未來賽道的信息。在曲線的前面 1/4 處取一（ X2， Y2），其示意圖如圖 所示。舵機轉(zhuǎn)向的計算公式為： 舵機控制量 = K0*X0 + K1*（ X1 X0） /（ Y1 Y0） +K2 *（ X1X2） /(Y1Y2) (46) 根據(jù)點（ X2， Y2）和點（ X1， Y1）段曲線的彎曲程度，可以預(yù)測出下一段道路 的 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 38頁 第 20 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 走向。調(diào)解系數(shù) K2，控制舵機轉(zhuǎn)向的角度，降低舵機轉(zhuǎn)向滯后的機率?？梢允剐≤嚥煌耆凑蘸诰€走，走內(nèi)道，靈活，連續(xù)地行使。 數(shù)據(jù)處理好是最基本的工作，也是非常重要的一個環(huán)節(jié)。做好基本工作，獲得穩(wěn)定可靠的黑線中心位置數(shù)據(jù)。加上速度調(diào)節(jié)和速度反饋，閉環(huán)控制，反復(fù)進行調(diào)試，分析舵機轉(zhuǎn)向性能，選擇合適的比例系數(shù)，使小車獲得可靠的轉(zhuǎn)向性能。 圖像采集模塊 接口 由于 MC9S12DG128 的 AD 采集速度有限 , 須利用圖像采集模塊提取出攝像頭信號的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖以供單片機作控制之 用。 LM1881 視頻同步信號分離芯片可從攝像頭信號中提取信號的時序信息 , 如行同步脈沖、 場同步脈沖和奇、偶場信息等 , 并將它們轉(zhuǎn)換成 TTL 電平直接輸給單片機的 I/O 口作控制信號之用 。 LM1881 的端口接線方式如下圖所示： 圖 313 LM1881 接口電路 本章小結(jié) 硬件電路主要包括：電源模塊，驅(qū)動模塊及調(diào)試模塊。電源模塊主要包括單片機電源，編碼器電源，攝像頭電源，舵機電源等等。驅(qū)動模塊主要包括電機驅(qū)動和舵機驅(qū)動。調(diào)試模塊主要包括 BDM 下載和串口的設(shè)計。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 38頁 第 21 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 四 章 軟件系 統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 軟件設(shè)計主要遵循以下兩個原則：即模塊劃分原則和層次分明原則。模塊劃分原則是指對于各個模塊的設(shè)計都盡量使其具有高獨立性和低耦合度，各模塊不能隨意進行變量互訪。層次分明原則是指硬件驅(qū)動和軟件控制要層次分明，底層的硬件驅(qū)動只需要向上提供可調(diào)用的接口，控制軟件則對底層驅(qū)動流程完全不關(guān)心。此外，還要使訪問全量的功能性函數(shù)或子程序盡量少，特別是對硬件驅(qū)動程序，要具有完全的獨立性。 程序詳見附錄。 系統(tǒng)分析 系統(tǒng)采用的 MC9S12DGl28微控制器是飛思卡爾公司 MC9S12系列 16位單片機中的 一種，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有單片機基本部分和 CAN功能模塊組成，包括 16位中央處理器、128KB的 Flash存儲器、 8KB的 RAM、 2KB的 EEPROM、兩個異步串行通信接口、兩個串行外圍接口、一組 8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強型比較定時器 (ECT)、兩組 8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (～ D)、一組 8通道脈寬調(diào)制模塊 (PwM)、一個字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、 29路獨立的數(shù)字 I／ O接口、 20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字 I／ O接口、 5個增強型 CAN總線接口。因此 MC9S12DGl28完全能夠滿足本系統(tǒng)的需求。程序主要用到 S12芯片中的時鐘 模塊、 PWM模塊、外部中斷模塊、 ECT模塊、 A／ D模塊、串口通信模塊、 I／ O模塊等模塊化設(shè)計。 PWM模塊主要用來控制舵機和電機的運轉(zhuǎn)； ECT模塊主要是用在了測速模塊和數(shù)據(jù)采集，捕捉中斷并計算瞬時速度； I／ O模塊主要是用來分配給紅外發(fā)射／接收管的觸發(fā)和輸入。以下將首先介紹賽車設(shè)計過程中用到的各個軟件功能模塊的初始化設(shè)計，然后對賽道引導(dǎo)線的提取及車體控制算法進行討論。 軟件 系統(tǒng) 設(shè)計 時鐘模塊 的初始化 MC9S12DGl28微處理器中有四個不同的時鐘，即外部晶振時鐘、鎖相環(huán)時鐘、總線時鐘和內(nèi)核時鐘。當前電路板采用的是 16MHz的外部晶振，因此外部晶振時鐘為16MHz。默認設(shè)置下，鎖相環(huán)時鐘為 32MHz，總線時鐘為 8MHz，內(nèi)核時鐘為 16MHz。鎖相環(huán)時鐘與外部晶振時鐘的關(guān)系由 SYNR、 REFDV兩寄存器決定?？偩€時鐘用作片上外圍設(shè)備的同步，而內(nèi)核時鐘則用作 CPU的同步，它決定了指令執(zhí)行的速度。 為了增加 A/D模塊在一行信號的時間內(nèi)的采樣點數(shù)，對單片機進行超頻，超頻后的總線時鐘為 32MHz，具體設(shè)置過程為： REFDV=3。 SYNR=7； //bus clock=16MHz*(SYNR+1)／ (REFDV+1) 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 38頁 第 22 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ While(0=CRGFLG— LOCK)； //until VC0 mn stable CLKSEL=Ox80： //PLLSEL=1 PWM 模塊的初始化 本次 設(shè)計 使用的電機驅(qū)動芯片為 MC33886，其輸出信號為一路 PWM信號， MC33886根據(jù) PWM信號的周期和占空比來控制電機的轉(zhuǎn)向和速度。 PWM模塊有 8路獨立的可設(shè)置周期和占空比的 8位 PWM通道，每個通道配有專門的計數(shù)器。該模塊有 4個時鐘源，能分別控制 8路信號。通過配置寄存器可設(shè)置 PWM的使能與否、每個通道 的工作脈沖極性、每個通道輸出的對齊方式、時鐘源及使用方式 (是 8個 8位通道，還是 4個 16位通道 )。 為了提高控制精度，我們將兩路 8位通道 PWM0、 PWMl合并為一個 16位通道來控制舵機，這樣可使舵機的控制精度從 1／ 255提高到 1／ 65536。為本系統(tǒng)設(shè)計的 PWM模塊的初始化程序如下： PWME=Ox00//PWM output is disabled PWMCTL— CoN0 1=1； //bine PWMO and PWM 1 to a 1 6bit PWM PWMPRCLK=Ox33； //select clock Aand B equalto busclock／ 8=4MHz PWMSCLA=1 OO： //clock SA=clock A／ 2／ 100=20kHz PWMSCLB=1： //clock SB=B clock／ 2=2MHz PWMCLK=0x1C： //select