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1、摄像头智能车设计方案,Slide 2,主要内容,摄像头智能车系统概述 单片机片上资源分配 摄像头及图像处理 电机、舵机及其控制 硬件设计方案 软件设计方案,摄像头智能车系统概述,Slide 3,CCD摄像头,ColdFire系列单片机 MCF52259最小系统,Futaba S3010 舵机,智能车系统主板,光电编码器,驱动模块及直流电机,摄像头智能车系统概述,智能车的工作过程： 摄像头捕捉跑道的图像，并传输给单片机； 单片机内嵌程序对图像信息进行处理，根据控制策略得出电机应达到的转速和舵机应有的打角，并控制舵机和电机驱动模块作出相应的动作（舵机改变打角、电机加减速）； 光电编码器跟随小车的运
2、行向单片机发出脉冲，单片机通过脉冲计数模块记录脉冲个数从而计算出电机转速，并进行速度调节；,Slide 5,单片机片上资源分配,Slide 6,*传输方向指对单片机而言,单片机片上资源分配,内存分配 内存用于程序运行期间指令、变量的存储。 单片机内存较小（以XS128为例，8K），应避免浪费。 尤其应注意图像数据（二维数组）的存储空间,Slide 7,60行,100列,60100Byte =6KB,char Image60100,摄像头与图像处理,摄像头的选用 根据感光器件单元分类，摄像头有两类：CCD和CMOS 二者比较如下： 灵敏度高决定了图像动态性好，高解析度决定了前瞻距离远。 因此CC
3、D摄像头是较好的选择。,Slide 8,摄像头与图像处理,Slide 9,CMOS,CCD,摄像头与图像处理,按输出信号类型划分，摄像头又可分为模拟式和数字式。 模拟式可见于CCD和CMOS， 数字式目前做智能车可用的只有CMOS。,Slide 10,OV7620数字摄像头,摄像头与图像处理,摄像头信号 信号制式 ：NTSC、PAL、SECAM 1.正交平衡调幅制National Television Systems Committee，简称NTSC制。采用这种制式的主要国家有美国、加拿大和日本等。 2.正交平衡调幅逐行倒相制Phase-Alternative Line，简称PAL制。中国、德
4、国、英国和其它一些西北欧国家采用这种制式。 3.行轮换调频制Sequential Coleur Avec Memoire，简称SECAM制。采用这种制式的有法国、前苏联和东欧一些国家。 智能车摄像头通常为PAL制式,Slide 11,摄像头与图像处理,PAL制式信号 特点：每秒25帧，每帧625行，分为奇场（由第1，3，5行组成）和偶场（由第2，4，6行组成）。 组成：图像信号、复合同步信号、复合消隐信号,Slide 12,摄像头与图像处理,PAL制式信号 复合消隐信号的作用： 在图像的分解或恢复的扫描逆程中，若不采取措施，将出现行、场回扫线，这将对正程所传送的图像起干扰作用。复合消隐信号能消
5、除行、场回扫线。 复合同步信号的作用： 为了收、发同步的需要，视频信号发送端每当扫描完一行时加入一个行同步脉冲；每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲，它们分别在行与场逆程期间传送，其宽度分别小于行、场逆程时间。,Slide 13,摄像头与图像处理,PAL制式信号,Slide 14,摄像头与图像处理,复合视频信号的分离,Slide 15,行同步,场同步,摄像头与图像处理,视频信号分离芯片：LM1881,Slide 16,图像采集,摄像头与图像处理,Slide 17,LM1881,ECT1 ECT2 AD,场同步,行同步,图像信号,单片机,行、场同步信号分别作为中断源输入单片机，从而确定何时开始采集
6、新的一行、何时采集新的一副图像。 这两个中断信号可称为“行中断”、“场中断”。 通常，采集模拟摄像头需要用到单片机AD模块，也可采用片外AD转换器。,摄像头与图像处理,图像采集,Slide 18,初始化,场中断,Lin = 0,Col = 0,图像处理 相关操作,行中断,Col = 0,Lin+,点数足够？,采集一个点，Col+,END,N,Y,END,图像存储数组为 ImgLinCol,摄像头与图像处理,图像采集 图像采集速度受AD模块频率限制，应尽可能提高AD时钟频率，以提高单位时间内采集的图像点数。 采用片外AD芯片代替片上AD，或者采用硬件二值化，通过I/O口读取数据，可明显提高图像采
7、集速度。 图像采集行中断程序应包含尽量少的操作（条件判断、变量累加），以提高程序执行次数。 测试发现，用指针直接访问数组比通过数组名访问数组速度要快，因此对图像数组的访问也应尽量用指针的方式。,Slide 19,摄像头与图像处理,图像处理,Slide 20,赛道图像,黑色边线,白色背景,无关信息,弯道,直道,十字交叉,摄像头与图像处理,图像处理 灰度图像： 所谓灰度图 (Grayscale)是只含亮度信息，不含色彩信息的图像，就像平时看到的亮度由暗到明的黑白照片，这种变化是连续的。因此，要表示灰度图，就需要把亮度值进行量化。通常划分成0到255共256个级别，0最暗(全黑)，255最亮(全白)
8、。 本系统所使用的摄像头采集到的就是黑白图像，经过A/D（8位精度）量化用256阶灰度值进行表示。,Slide 21,0,255,摄像头与图像处理,图像处理 二值化图像： 根据图像处理的目标和要求，多灰度级的输入图像经过处理以后，就变成只有两个灰度级的图像，这种处理称为图像的二值化处理。经过二值化处理后的图像称为二值图像。 找出一个合适的阈值，当所采图像灰度值大于该阈值时判断为白色，当小于该阈值时判断为黑色。 二值化方法： 软件二值化：阈值比较，条件判断 硬件二值化：电压比较器,Slide 22,摄像头与图像处理,图像处理,Slide 23,二值化图像,摄像头与图像处理,图像处理 黑线的提取：
9、 常用方法跳变检测 一行图像,Slide 24,图像有效信息,摄像头与图像处理,图像处理 赛道图像偏移量的计算 最简单的方法：根据每行中左右两侧黑点的位置，求平均值，得出赛道中心线各点坐标。中心线各点加权求和，得出偏移量，作为控制系统输入。 *速度控制应参考远处图像信息，转向控制应参考近处信息，求和时远近点权重应有所调整。,Slide 25,摄像头与图像处理,图像处理 特殊情况处理： 十字交叉 黑线不完整（虚线或干扰） 丢失左、右边黑线 未检测到赛道图像（冲出赛道） ,Slide 26,电机、舵机及其控制,MOS管驱动桥,Slide 27,电机、舵机及其控制,电机驱动BTS7960,Slide
10、 28,电机、舵机及其控制,电机驱动BTS7960,Slide 29,电机、舵机及其控制,驱动模块电路图,Slide 30,注：74LS244用于隔离单片机与驱动芯片，防止在驱动芯片击穿时烧坏单片机，同时用于限流。,电机、舵机及其控制,驱动模块控制方法 用PWM模块控制： 两路PWM，实现正反转（反转用于智能车制动） 占空比大小决定电机输出功率 *为保证电机运转平稳，冲击小，同时考虑驱动芯片最高频率限制，PWM频率应设为115K，依据实测经验，推荐值为8KHz。,Slide 31,电机、舵机及其控制,舵机（以Futaba S3010为例）,Slide 32,电机、舵机及其控制,舵机（以Futa
11、ba S3010为例） 引脚定义：VCC（红）、Signal（白）、DNG（黑） 舵机输入信号：PWM 转角与PWM信号的关系： 高电平为1520us 时：一定为中间位置； 高电平为920us 时：一定为最左边位置； 高电平为2120us 时：一定为最右边位置； 说明：该舵机的转角只与高电平脉宽有关，与占空比无关。,Slide 33,硬件设计方案,硬件设计主要模块 电源模块： 5V/3.3V稳压模块、12V稳压模块（CCD供电）、6V稳压模块（舵机供电，S3010舵机可直接用电池供电）。 图像采集模块： 视频分离芯片LM1881、电压比较器（硬件二值化）、片外AD芯片等。 电机驱动模块,Sli
12、de 34,硬件设计方案,电源模块设计,Slide 35,硬件设计方案,电源模块设计 5V稳压芯片可选用LP3853-5.0芯片，电压更稳，但成本高，电路复杂。 为保证单片机供电稳定、不受干扰，通常为单片机单独分配一个稳压模块。,Slide 36,硬件设计方案,电源模块设计,Slide 37,12V稳压模块电路图,硬件设计方案,图像采集模块 模块示意图（以第七届方案为例）,Slide 38,LM1881,LM393,单片机,行中断,场中断,ECT,TLC5615,I/O,CCD,功能：硬件二值化、动态阈值,DA转换芯片,硬件设计方案,图像采集模块 思考：现拟采用片外AD芯片+CCD摄像头，试给
13、出设计方案。,Slide 39,软件设计方案,单片机程序,Slide 40,初始化,等待,图像数据准备好？,图像处理,转向、速度控制,Y,N,主程序框图,子程序： 各模块初始化程序 图像中断程序（图像采集） 定时中断程序（测速） PID计算程序 串口发送、接收程序 *各子程序均以子函数形式封装,软件设计方案,单片机程序,Slide 41,CodeWarrior 工程文件结构 正式开发时应尽量避免所有代码都写在“main.c”里，而应做到分类分块保存，函数在各“.c”文件里实现，并在同名头文件里进行声明。 如：init.c里包含了各模块初始化函数的实现，init.h则对各函数进行声明。,软件设计方案,单片机程序 示例：,Slide 42,Init.h,Init.c,软件设计方案,上位机软件 上位机软件的功能： 接收单片机发回的数据，显示图像和速度、转角等参数； 控制智能车，设置单片机参数。 常用的上位机开发平台： LabView，图形化编程，内置功能模块丰富，易于上手；但自定义程度低。 用C+/C#开发，利用已有的库可实现多种功能，难度大。,Slide 43,软件设计方案,上位机软件 LabView演示,Slide 44,摄像头智能车设计方案,THE END,Slide 45,
