摄像头循迹智能平衡小车付国栋，胡健军，王杰（哈尔滨工程大学自动化学院 哈尔滨 黑龙江 150001）摘要： 摄像头循迹智能平衡小车是使用MK60DN512ZVLQ10微解决器和CCD摄像头配合来实目前跑道上的自动循迹，辨认黑白线，直道和弯道的加减速行驶小车是机械系统与硬件系统配合软件系统实现运营的复杂整体，硬件系统有电源管理模块，最小控制系统模块，图像采集辨认解决模块，陀螺仪加速度计角度测量模块，电机驱动模块，编码器测速模块；软件系统涉及小车的直立平衡控制，速度与方向的PID控制，角度测量的卡尔曼互补滤波算法，信息（赛道图像，车轮转速）采集程序；机械系统方面，各模块的安装，优化改善也是摄像头循迹智能平衡小车平稳运营的核心部分核心词：MK60DN512ZVLQ10微解决器，图像采集辨认解决，PID控制，卡尔曼互补滤波Smart balanced car of tracking by cameraFU Guodong, HU Jian jun, WANG Jie （College of Automation, Harbin Engineering University , Harbin, Heilongjiang 150001）Abstract: Smart balanced car of tracking by camera realizes automatic track in runway, recognizes black and white line, acceleration and deceleration of speed by using microprocessor MK60DN512ZVLQ10 and CCD camera. Smart car is a complex system concluding mechanical system, hardware system and software system; the hardware system has power module, minimum control system, the module of gathering, recognizing and processing image, the module of measuring angle by gyroscope and accelerometer, the module of driving motor, the module of measuring speed by encoder; the software system is composed of upright and balanced control’s procedure, speed and direction’s PID control’s procedure, kalmen complementary filtering algorithms, and procedure of gathering information like the runway’s image and the wheel’s speed. And every module’s installation, optimizing and improvement in mechanical system is also a key part that makes smart car move stably. Key words: Microprocessor MK60DN512ZVLQ10, gathering, Recognizing and processing of image, PID control, Kalmen complementary filtering1.引言全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励摸索、追求卓越”为宗旨，鼓励创新的一项科技竞赛活动赛。
智能汽车竞赛的赛道路面为宽度不不不小于45cm的白色面板，赛道两侧边沿有宽为25mm的持续黑线作为引导线参赛队员的目的是模型汽车需要按照规则以最短时间完毕单圈赛道本文结合我们小组参与“飞思卡尔”智能车的竞赛经历，讲述了摄像头循迹的智能平衡小车系统整体设计，制作及实现的整个过程，旨在摸索实现小车平稳运营的更加合理稳定的机械构造，硬件电路和算法程序2.总体设计 MK60DN256ZVLL10微解决器通过采集CCD摄像头的硬件二值化信号，获得小车赛道边沿信息；通过采集陀螺仪加速度计姿态传感器的信号，通过互补滤波后，实时获得小车的倾角；通过光电编码器脉冲计数后，获得小车速度数据通过微解决器对赛道图像的解决，对小车速度和方向的PID控制，最后输出PWM波控制直流电机，实现小车的平衡，转向，速度控制和智能循迹在调试过程中，通过无线传播模块和上位机，获得小车倾角等状态数据3.机械构造 智能小车的控制是在合理的机械构造基本上实现的，良好的机械构造才干保证小车系统的稳定性和适应性，对平衡小车，机械规定更高因此在设计小车硬件，软件系统之前，应对小车的整体构造有清晰的结识，分析构造特点，结合数学模型改善小车的构造。
3.1车模的调节 1)车轮啮合调节齿轮传动部分安装位置不恰当，会增大电机的驱动负载，影响小车的速度调节原则：两传动齿轮的轴间保持平行，齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打碎齿轮，过紧则增大电机的阻力，因此合适的啮合度至关重要，实际测试在70%左右 2）在赛道中设立有坡道，因此摄像头的安装位置不能过低，过低会导致信息采集的丢失安装位置过高，在弯度比较大的赛道，会使小车受的离心力比较大，容易冲出赛道调节措施：变化小车的倾角，在45度左右，减少小车的重心，增大小车过弯道时的稳定性同步我们采用碳纤板固定在小车的底板上，增大了小车的刚性，使摄像头的安装位置在小车运动过程中不会与小车底板产生相对位移，增长了图像采集信息的精确性3.2陀螺仪加速度计的安装 陀螺仪使用ENC-01，加速度计使用MMA7361，它们是表贴的元件，固定在同一块电路板上将这块带有陀螺仪加速度计的电路板固定在整个小车的质心位置，可以最大限度减小车模运营时前后振动对小车倾角测量的影响安装角度传感器电路板上应保持陀螺仪水平安装由于在小车在弯道运营时，同步存在转动和平动，陀螺仪安装位置不是水平，转动就会在陀螺仪的Z轴方向产生分量，影响小车的运营速度。
图1 陀螺仪加速度计的安装3.3电池的安装 由于是两轮平衡小车，对小车的运营稳定性和转向的灵活性都提出了更高的规定，因此我们尽量地减少小车的重心，将电池安装在小车的底部图2 电池的安装3.4摄像头支架的安装 为了最大限度减小摄像头支架安装对小车整体平衡的影响，选用了质地坚硬且重量小的碳素杆作为支架，同步用两个小的碳素杆作为支撑，增长系统的稳定性，以减小车模震动对摄像头的影响图3 摄像头支架的安装3.5编码器的安装 采用增量式编码器实现对驱动电机转速的检测，通过齿轮传动的方式使编码器测速齿轮与电机轴上的齿轮啮合，来获得小车的运营速度图4 编码器的安装4.硬件电路4.1 K60为核心的最小系统板 单片机系统板使用K60单片机为了减小空间，将单片机最小系统板直接接到主板电路上图5 K60芯片引脚分派4.2.电源稳压电路本系统中电源稳压电路有4路，由锂电池提供的7.2V电压，LM2576-5稳压电路为直流电机供电，另一路5V为测速电路和部分芯片供电，两路5V分开为避免电机驱动电路对图像信号解决电路的影响；3.3V稳压电路为最小系统板，陀螺仪加速度传感器电路供电；B0512 12V升压电路为CCD摄像头供电。
图6 电源稳压电路4.3视频同步分离电路 我们的智能车使用黑白CCD摄像头对赛道信息进行采集摄像头视频信号中除了涉及图像信号之外，尚有场同步信号、场消隐信号、行同步信号、行消隐信号等等由于，要对频率信号进行解决，就必须通过视频同步分离电路精确地把握多种信号间的逻辑关系我们使用 LM1881 芯片对视频信号进行同步分离，得到场同步信号与行同步信号图7 视频同步分离电路4.4片外AD电路K60 单片机自身具有A/D转换功能，但是受届时钟总线频率的限制，其转换速度很慢因此，我们使用TLC5510芯片作为片外A/D，K60单片机通过IO口进行图像数据采集，它提供最大20Msps的采样频率使用片外A/D后，受到IO口读取数据的限制，每行图像可以采集到120个有效点，使图像的行辨别率提高了一倍图8 片外AD电路4.5电机驱动电路对于电机驱动电路，可有多种选择，像专用电机驱动芯片MC33886、LM298、BTS7960、BTS7971等，在运动过程中需要用H桥的全桥电路才干及时刹车，减速入弯，我们采用芯片BTS7971构成H桥来驱动电机下图展示的是一路PWM波控制电机一种电机一种方向转动的驱动电路，通过变化PWM波的占空比和相位来分别控制两轮的正反方向转动。
图9 电机驱动电路4.6陀螺仪加速度计传感器接口电路 陀螺仪ENC-03，加速度计MMA7361，均是集成在一块电路板上的，因此我们只需设计它们的接口电路图10 陀螺仪加速度计接口电路4.7键盘拨码电路 由于不同赛道与车轮之间的摩擦力差别较大，因此需要根据实际状况调节参数此外，不同速度下的参数也需要外部输入因此我们专门设计了一种液晶调试模块，配合按键便可以对软件参数进行灵活修改.图11 键盘拨码电路4.8测速电路图12 测速电路4.9摄像头我们对CCD摄像头和CMOS摄像头进行了对比CMOS摄像头动态图像差，智能车在高速行驶时，图像模糊，不利于黑线的提取CCD摄像头虽然工作电压为12V，且相对功率大，但图像对比度高，动态特性好，因此我们选用了CCD摄像头5.软件系统设计5.1 图像解决5.1.1图像采集为了提高辨别率，采用片外采AD电路TLC5510电路采集数据，每行可采集230点，这样我们虽然将摄像头前瞻提高到1.7m也能精确地提取到黑色引导线，在兼顾道路信息和解决时间的前提下，提取45行进行解决，将摄像头提取到的数据存于二维数组data[i][j]5.1.2黑线提取 黑线提取事实上是一种图像分割技术。
图像分割指图像提成各具特性的区域并提取出感爱好目的的过程，是一种基本的计算机视觉技术只有在图像分割的基本上才干对目的进行特性提取和参数测量，使得更高层的图像分析和理解成为也许由摄像头得到的图像事实上是一幅灰度图像，可以将图像分为几种区域，区域内部的灰度具有灰度相似性，而在区域边界上一般具有灰度不持续性，因此灰度图像分割一般可分为运用区域内灰度相似性的基于区域的措施和运用区域间灰度不持续性的基于边界的措施，分别称为阈值法和边界法阈值法是一种最常用的措施，基本思想是运用阈值来辨别不同目的的灰度值，从而提取目的对于摄像头而言，黑线部分灰度值小，白板灰度值大，设阈值为limit，若满足data[i][j]
结合上述两种措施的长处，。