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基于智能小车摄像头组相关分析1基于智能小车摄像头组相关分析摘要本文以Freescale公司的MK60N512VMD100单片机作为系统的控制核心，采用CMOS摄像头采集赛道信息，根据采集到的数据分析行驶路径以及对起跑线进行检测。采用PID算法对赛车的舵机和直流电机进行闭环控制，并根据跑道的弯曲程度采用不同的控制策略。在机械结构方面，通过对赛车前轮定位参数的优化，和对舵机输出力臂的改造，进一步提高了赛车的性能。在文中将介绍系统的整体方案，具体模块的软硬件设计，机械改造等内容。关键词智能车，硬件电路设计，寻线，起跑线，图像采集，PID引用格式基于智能小车摄像头组相关分析CorrelationAnalysisonTheSmartCarofCameraGroupAbstractBasedonmicrocontrollers,MK60DN512VLL10,ascontrolunit,thesmartcarssystemruninthespecifiedroadswiftlyandsteady.CMOSimage-sensor,areappliedtoobtainlaneimageinformation.Then,baseontheinformationfromthesensor,obtaininganoptimizedbycertainalgorithmandtheinformationofStartlaneandtrigonum.PIDfeedbackalgorithmisappliedtocontroltheangleandspeed.Inthelaterarticle,wewilldemonstratethesystemscheme,themodulesofsysteminhardwareandsoftware.KeywordIntelligentCar,hardware,SearchLane,Startlane,Image,Sampling,PID基于智能小车摄像头组相关分析2随着自动化技术在生活中慢慢深入，越来越多的智能产品出现在我们的生活中。全国大学生“飞思卡尔杯”智能赛车竞赛参赛人数也在逐年上涨，智能小车技术不断地提高推动了智能技术的不断发展。在大二的时候我们就参加了智能小车讲座，当时还是对智能小车模模糊糊的概念，这学期我们选择了智能小车竞赛讲座，让我们对智能小车技术更加深入的了解。在智能小车课堂上，参加比赛的原来的学长们进行讲课，让我们对于智能小车有了更加直观的认识。我发现自己对于智能小车还是很感兴趣的，所以就组队，准备做出自己的智能小车，看着自己做出的智能小车奔跑在赛道应该有一种别样的感受。虽然现在我们的智能小车还没有完全出来，只是基本的模块的成型，还不能跑动，但是我们相信经过我们的努力，我们不求获奖，只是锻炼一下自己的能力。在平时上课的时候我们学到的更多的是理论的知识，没有具体的时间，只知道理论是不能够使得知识更加长久的留在自己的大脑中，只有经过这种运用才能够是的有用的知识不会随着岁月逐渐淡去。在做智能小车的时候，我主要负责的是硬件部分的开发。有了电路理论以及数字电路，模拟电路，自动控制理论，EDA这些先有课程的知识积淀，使得我们做起小车来轻松不少。做智能小车也是一个静下心沉淀的过程，看着班里面的同学做智能小车花费的心血，确实觉得这是一个苦差事，没有想象得那样轻松愉快。我们现在也基本过完了大三的第一学期，各种专业课程的学习也确实使我们很疲基于智能小车摄像头组相关分析3倦，所以现在我们没有太多的时间以及精力去研究智能小车。我们打算在大四的时候好好做一下我们的智能小车。1.系统硬件电路设计1.1硬件电路整体架构框图：1.2单片机最小系统我们采用的是MK60N512VMD100微控制器为核心控制单元：最小系统PCB图MK60N512VMD100是K60系列MCU。Kinetis系列微控制器是Cortex-M4系列的内核芯片。K60内存空间可扩展，从32KB闪存/8KBRAM到1MB闪存/128KBRAM，可选的16KB缓存用于优化总线带宽和闪存执行性能。最小系统使用K60100PIN封装，为减少电路板空间，板上仅将本系统所用到的引脚引出，包括PWM接口，外部中断接口，若干普通IO接口。其他部分还包括电源滤波电路、时钟电路、复位电路、串行通讯接口、BDM接口和SPI接口。用到的接口如下：电机PWM波输出：PTC1电机方向控制：PTD7单片机最小系统通讯模块人机接口电源转换电源图像传感器速度传感器舵机驱动电机驱动外部储存设备基于智能小车摄像头组相关分析4舵机PWM波输出：PTB1编码器两相信号输入：PTB18，PTB19IRQ输入：PTB10O/E场信号输入：PTB11摄像头图像信号输入：PTD5、PTE1陀螺仪信号输入：PTE25键盘输入信号：PTB2、PTB3、PTB9拨码开关输入信号；PTD3、PTD4外部AD接口：PTC3、PB23、PB21LCD接口：PTD6、PTE6、PTE4、PTE2、PTE01.3电源电路的设计：本系统中电源稳压电路分别需要有+5V，+3.3V供电。+3.3V主要给单片机及、键盘、拨码开关、LCD供电；+5V为摄像头、摄像头模块、电机驱动模块、编码器模块供电；由于整个系统中+5V电路功耗较大，为了降低电源纹波，我们考虑使用线性稳压电路。另外，TPS7350是微功耗低压差线性电源芯片,具有完善的保护电路,包括过流,过压,电压反接保护。使用这个芯片只需要极少的外围元件就能构成高效稳压电路。图1.3.1TPS7350原理图+3.3V稳压芯片最初选用小封装的TPS79333，但在使用过程中发现TPS79333一过流就极易烧坏。后来选用低压差大功率的TPS7333。电池电压5VTPS7333图像信息处理模块速度反馈模块基于智能小车摄像头组相关分析5图1.3.2TPS7333原理图1.4图像处理电路COMS与CCD：CCD摄像头具有对比度高、动态特性好的优点，但需要工作在12V电压下，对于整个系统来说过于耗电,而且CCD体积大，质量重，会抬高车体的重心，这对于高速情况下小车的行驶非常不利。与之相比，COMS摄像头具有体积小、质量轻、功耗低，图像动态特性好等优点，因为小车队图像的清晰度，分辨率要求并不高，所以选用COMS摄像头。对于摄像头的选择，主要考虑以下几个参数：1芯片大小2自动增益3分辨率4最小照度5信噪比6标准功率7扫描方式市面上的摄像头主要分为数字和模拟两种，数字摄像头主要有OV7620,OV6620，OV7670,OV7725,模拟摄像头主要有OV5116，BF3003，MT9V136。大多数摄像头都支持sccb通信，可以很好的实现单片机与摄像头之间的交互。我们的智能模型车自动控制系统中使用黑白全电视信号格式CMOS摄像头采集赛道信息。摄像头视频信号中除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等。因此，若要对视频信号进行采集，就必须通过视频同步分离电路准确地把握各种信号间的逻辑关系。我们使用了LM1881芯片对黑白全电视信号进行视频同步分离，得到行同步、场同步信号。在对硬件二值化的研究中，我们也从数字比较器以及模拟比较器几个方向进行了试探性研究，从图像的稳定性及清晰性等方面进行筛选，最终决定采用模拟电路搭建而基于智能小车摄像头组相关分析6成的比较器对图像进行二值化处理。图1.4.1比较电路原理图图1.4.2LM1881外围电路原理图LM1881是针对视频信号的同步分离芯片,它可以直接对视频信号进行同步分离,准确地获得所需的视频图像信号,使用者可根据需要对该同步信号进行时序逻辑制.LM1881广泛用于对视频信号的同步分离中,比如便携式图像采集卡、视频监控录像控制仪、基于成像系统的视频图像采集等。1.5电机驱动电路桥式电机驱动电路有双极性与单极性之分，双极性电机驱电路输出的电流交流成分过多，容易造成电机发热并且容易是电机消磁。所以我们最后设计了直流电动机可逆单极型桥式驱动器，其功率元件由四支N沟道功率MOSFET管组成，额定工作电流可以轻易达到100A以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。图1.5电机驱动模块原理图基于智能小车摄像头组相关分析71.6测速传感器电路设计为了使得赛车能够平稳地沿着赛道运行，需要控制车速，使赛车在急转弯时速度不至过快而冲出赛道。通过控制驱动电机上的平均电压可以控制车速，但是如果开环控制电机转速，会受很多因素影响，例如电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力和前轮转向角度等。这些因素会造成赛车运行不稳定。通过速度检测，对车模速度进行闭环反馈控制，即可消除上述各种因素的影响，使得车模运行得更稳定。由于对车模采用的是闭环控制系统，所以必然涉及到反馈量的检测。在车模行驶过程中，最重要的一个反馈量就是车模的行驶速度。刚开始我们采用光电编码器直接测量车轮的速度。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电码器是在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧，安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲，码盘上有之相标志，每转一圈输出一个脉冲。但在后来速度提高后，受光线和灰尘的影响，这种方法测速的精度大大降低，因此我们改用采用欧姆龙E8A2-CW3C增量式旋转式编码器。这种编码器不受外界环境影响，精度高，外围电路也非常简单。主要特性：1、外壳直径：30mm2、精度：500线3、主轴直径：4mm4、输入电压：DC5V此信号编码器内部带有配套电路，外部输出只有一个信号线，智联单片机的脉冲捕捉模块即可，使用极为方便.基于智能小车摄像头组相关分析81.7保护隔离与电平转换电路为了避免某些大电流回灌到最小系统而把最小系统烧毁，同时为了能让最小系统输出的电平能符合其它芯片的电压标准，在最小系统信号输出端与芯片输入端之间加入六通道的集成非门74HC14。图1.774HC14原理图74HC14是一款高速CMOS器件，74HC14引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC14遵循JEDEC标准no.7A。74HC14实现了6路施密特触发反相器，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。特性：应用：波形、脉冲整形器非稳态多谐振荡器单稳多谐振荡器兼容JEDEC标准no.8-1AESD保护：HBMEIA/JESD22-A114-A超过2000VMMEIA/JESD22-A115-A超过200V温度范围-40～+85℃-40～+125℃1.8键盘拨码电路主板上还包括拨码开关电路和键盘接口，接外接键盘。图1.8拨码开关、键盘接口原理图在智能仪表中，经常会用到键盘、数码管等外设。因此，一个稳定、占用系统资源少的人机对话通道设计非常重要。传统的键盘与数码管解决方案，由于键盘与数码管基于智能小车摄像头组相关分析9是分离的，因而电路连接比较复杂，不管是独立式键盘还是矩阵式键盘，都会浪费微控制器的端口资源，而且都需要人为进行去抖动处理，且抗干扰性差。而数码管部分，不管是静态显示方式还是动态显示方式，在不进行锁存器扩展的前提下。仍然要占用8根I/O端口线，这将严重浪费系统的端口资源。ZLG7290可完全克服上述弊端。它采用I2C总线接口，与微控制器的连接仅需两根信号线，硬件电路比较简单。而且可以驱动8位共阴数码管或64只独立LED、64只独立按键，并可提供自动消除抖动、连击键计数等功能。这对于传统的键盘与数码管解决方案，无疑是不可想象的。强大的功能，丰富的资源，良好的接口，使得ZLG7290比传统的键盘与数码管解决方案且有更大的优越性。因此，在现代智能仪表的设计中，通过ZLG7290可为系统设计工程师设计出良好的人机对话通道，从而提供了一种理想的解决方案。ZLG7290的核心是一块ZLG7290B芯片，它采用I2C接口，能直接驱动8位共阴式数码管，同时可扫描管理多达64只按键，实现人机对话的功能资源十分丰