XXXX暑期培訓(xùn)(共63張)

1、1小車(chē)循跡及傳感器及其軟硬件設(shè)計(jì)張仁彥信息與電氣工程學(xué)院2014.72014年山東省機(jī)器人大賽暑假培訓(xùn)年山東省機(jī)器人大賽暑假培訓(xùn)2什么是小車(chē)循跡什么是小車(chē)循跡3循跡小車(chē)的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)循跡小車(chē)的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主控制器主控制器(單片機(jī)、單片機(jī)、ARM和和DSP等等)電源電路電源電路（5V、3.3V、6V和和12V等）等）舵機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)(轉(zhuǎn)角控制轉(zhuǎn)角控制)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)(速度控制速度控制)測(cè)速電路測(cè)速電路(速度反饋速度反饋)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路(傳感器信號(hào)采集傳感器信號(hào)采集)軌跡檢測(cè)傳感器軌跡檢測(cè)傳感器直流直流(或步進(jìn)或步進(jìn))電機(jī)電機(jī)舵機(jī)舵機(jī)通信模塊通信模塊(傳遞系統(tǒng)信息傳遞系統(tǒng)信息)電池電池(

2、5V7.2V12V24V)循跡小車(chē)循跡小車(chē)PC機(jī)機(jī)(上位機(jī)上位機(jī))4軌跡表示軌跡表示 可見(jiàn)可見(jiàn) 黑色線條黑色線條 不可見(jiàn)（不講）不可見(jiàn)（不講） 交流電信號(hào)交流電信號(hào)5循跡檢測(cè)傳感器循跡檢測(cè)傳感器 黑色線條黑色線條 光電法光電法 紅外傳感器、激光傳感器紅外傳感器、激光傳感器 圖像處理法圖像處理法 攝像頭攝像頭6主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 光電法循跡光電法循跡2. 圖像法循跡圖像法循跡71. 光電法循跡光電法循跡 1.1 基本工作原理基本工作原理 1.2 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì) 1.2.1 紅外傳感器紅外傳感器 1.2.2 激光傳感器激光傳感器 1.3 傳感器的布局傳感器的布局 1.4 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)81.

3、1 工作原理工作原理 紅外光或激光，照射到紅外光或激光，照射到 黑色物體黑色物體 反射光能量少反射光能量少 淺色物體淺色物體 反射光能量大反射光能量大根據(jù)反射光的強(qiáng)弱根據(jù)反射光的強(qiáng)弱檢測(cè)黑線檢測(cè)黑線91.2 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì) 1.2.1 紅外傳感器紅外傳感器 1.2.2 激光傳感器激光傳感器101.2.1 紅外傳感器紅外傳感器 紅外對(duì)管紅外對(duì)管 一體一體 紅外發(fā)射管和接收管紅外發(fā)射管和接收管 分離分離Tcrt5000：藍(lán)色：藍(lán)色是發(fā)射，黑色是是發(fā)射，黑色是接收，發(fā)射端短接收，發(fā)射端短的接地，接收端的接地，接收端長(zhǎng)的接地長(zhǎng)的接地11 使用要點(diǎn)使用要點(diǎn) 反射的紅外光能被反射的紅外光能被對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的

4、紅外接收管接收紅外接收管接收 相鄰管之間相鄰管之間互不干擾互不干擾 防止其它光源干擾，如：不能強(qiáng)光照射防止其它光源干擾，如：不能強(qiáng)光照射 選用工作電流：電流與光強(qiáng)間的選用工作電流：電流與光強(qiáng)間的線性度線性度和使用壽命和使用壽命 注意測(cè)試有效檢測(cè)距離注意測(cè)試有效檢測(cè)距離12 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)讀高低電平讀高低電平A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換13http:/ 激光傳感器激光傳感器 發(fā)射管發(fā)射管 調(diào)制管調(diào)制管 接收管接收管 對(duì)焦透鏡對(duì)焦透鏡15發(fā)射管和發(fā)射電路發(fā)射管和發(fā)射電路 發(fā)射管發(fā)射管 調(diào)制管調(diào)制管 下拉電阻調(diào)整方波信號(hào)頻率下拉電阻調(diào)整方波信號(hào)頻率 180KHZ淘寶紅樹(shù)偉業(yè)淘寶紅樹(shù)偉業(yè)123T1調(diào)制管R

5、222+5VR122Q18050R3120F1發(fā)射管+5V一般接一般接LD，PD腳可以不用腳可以不用 16 注意事項(xiàng)注意事項(xiàng) 硬件硬件 極性不能接反；盡量避免人體接觸和帶靜電物體接觸激光管，極性不能接反；盡量避免人體接觸和帶靜電物體接觸激光管，避免靜電燒壞；但避免焊接過(guò)熱和較長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱避免靜電燒壞；但避免焊接過(guò)熱和較長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱 解決辦法：解決辦法： 釋放人體靜電釋放人體靜電 烙鐵先通電，在焊接的時(shí)候拔掉電源烙鐵先通電，在焊接的時(shí)候拔掉電源 用膠固定用膠固定 軟件軟件 激光傳感器相互之間的干擾激光傳感器相互之間的干擾 解決辦法：解決辦法： 分時(shí)發(fā)光的策略，使用分時(shí)發(fā)光的策略，使用74LS138作

6、為分時(shí)控制器作為分時(shí)控制器 17接收管和接收電路接收管和接收電路 接收管接收管 160KHZ-200KHZ，180KHZ左右左右的頻率下接收能力最強(qiáng)的頻率下接收能力最強(qiáng) 常態(tài)低、常態(tài)高常態(tài)低、常態(tài)高 對(duì)焦透鏡對(duì)焦透鏡 對(duì)焦聚光對(duì)焦聚光 增強(qiáng)接收能力增強(qiáng)接收能力 123接收管+5VC1104R24.7KR11.5KLED+5VOUT18http:/ 傳感器的布局傳感器的布局202122清華大學(xué)清華大學(xué)“搖頭搖頭”車(chē)車(chē)23極限前瞻極限前瞻24251.3 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 1.3.1 軟件流程圖軟件流程圖 1.3.2 典型控制策略典型控制策略261.3.1 軟件流程圖軟件流程圖開(kāi)始開(kāi)始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)

7、初始化讀取紅外接收管信號(hào)讀取紅外接收管信號(hào)點(diǎn)亮紅外發(fā)射管點(diǎn)亮紅外發(fā)射管判斷車(chē)道類(lèi)型判斷車(chē)道類(lèi)型（如直道、小彎和大彎等）（如直道、小彎和大彎等）計(jì)算舵機(jī)轉(zhuǎn)角計(jì)算舵機(jī)轉(zhuǎn)角計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速PWM舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電機(jī)轉(zhuǎn)速控制測(cè)速測(cè)速速度速度PID271.3.2 典型控制策略典型控制策略 北京科技大學(xué)第三屆飛思卡爾智能車(chē)競(jìng)賽北京科技大學(xué)第三屆飛思卡爾智能車(chē)競(jìng)賽 加權(quán)法加權(quán)法激光傳感器一字排布圖激光傳感器一字排布圖 28激光傳感器在普通賽道上激光傳感器在普通賽道上 傳感器位置分布傳感器位置分布激光傳器在起點(diǎn)處激光傳器在起點(diǎn)處激光傳感器在十字交叉線處激光傳感器在十字交叉線處

8、29 光電傳感器路徑識(shí)別算法光電傳感器路徑識(shí)別算法 傳感器重心取值分配圖傳感器重心取值分配圖3031 彎道策略彎道策略 入彎減速、出彎加速入彎減速、出彎加速 入彎急減速、彎內(nèi)提速、出彎加速入彎急減速、彎內(nèi)提速、出彎加速322. 圖像法循跡圖像法循跡 2.1 圖像法工作原理圖像法工作原理 2.2 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì) 2.3 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)332.1 圖像法工作原理圖像法工作原理 攝像頭采集圖像攝像頭采集圖像 圖像處理的方法識(shí)別軌跡圖像處理的方法識(shí)別軌跡342.2 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì) 2.2.1 攝像頭工作原理攝像頭工作原理 2.2.2 圖像信號(hào)的基本概念圖像信號(hào)的基本概念 2.2.3 攝像頭分類(lèi)攝

9、像頭分類(lèi) 2.2.4 模擬攝像頭電路設(shè)計(jì)模擬攝像頭電路設(shè)計(jì) 2.2.5 圖像采集圖像采集352.2.1 攝像頭工作原理攝像頭工作原理 基本概念基本概念 像素、幀、行、場(chǎng)、電子掃描、同步和消隱像素、幀、行、場(chǎng)、電子掃描、同步和消隱 PAL制式制式36基本概念基本概念 像素像素 平面圖像，根據(jù)人眼對(duì)細(xì)節(jié)分辨力有限的視覺(jué)平面圖像，根據(jù)人眼對(duì)細(xì)節(jié)分辨力有限的視覺(jué)持性，總可以看成是由許許多多的小單元組成。持性，總可以看成是由許許多多的小單元組成。 在圖像處理系統(tǒng)中，這些組成畫(huà)面的細(xì)小單元在圖像處理系統(tǒng)中，這些組成畫(huà)面的細(xì)小單元稱(chēng)為稱(chēng)為像素像素。 像素越小，單位面積上的像素?cái)?shù)目就越多，由像素越小，單位面積

10、上的像素?cái)?shù)目就越多，由其構(gòu)成的圖像就越清晰。其構(gòu)成的圖像就越清晰。電視原理與系統(tǒng)電視原理與系統(tǒng).http:/ 圖象幀圖象幀 電視系統(tǒng)中把構(gòu)成一幅圖像的各像素傳送一遍電視系統(tǒng)中把構(gòu)成一幅圖像的各像素傳送一遍稱(chēng)為進(jìn)行了一個(gè)幀處理，或稱(chēng)為傳送了一幀，稱(chēng)為進(jìn)行了一個(gè)幀處理，或稱(chēng)為傳送了一幀，每幀圖像由許多像素組成，幀是構(gòu)成活動(dòng)圖象每幀圖像由許多像素組成，幀是構(gòu)成活動(dòng)圖象最小單元。最小單元。視覺(jué)暫留時(shí)間（約視覺(jué)暫留時(shí)間（約50 200ms） 電視原理與系統(tǒng)電視原理與系統(tǒng).http:/ 掃描掃描 將組成一幀圖象的像素，按順序轉(zhuǎn)換成電信號(hào)將組成一幀圖象的像素，按順序轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為掃描。電視系統(tǒng)中，掃

11、描多是由電的過(guò)程稱(chēng)為掃描。電視系統(tǒng)中，掃描多是由電子槍進(jìn)行的，通常稱(chēng)其為電子掃描。子槍進(jìn)行的，通常稱(chēng)其為電子掃描。 行掃描行掃描 從左至右掃描從左至右掃描 幀幀(或場(chǎng)或場(chǎng))掃描掃描 自上而下掃描自上而下掃描 隔行掃描隔行掃描 每幀掃描行數(shù)不變，將每幀圖像分為兩場(chǎng)（奇每幀掃描行數(shù)不變，將每幀圖像分為兩場(chǎng)（奇場(chǎng)和偶場(chǎng)）傳送。場(chǎng)和偶場(chǎng)）傳送。電視原理與系統(tǒng)電視原理與系統(tǒng).http:/ 同步同步 同頻：掃描速度相同；同頻：掃描速度相同； 同相：每行、每幅的掃描起始時(shí)刻相同同相：每行、每幅的掃描起始時(shí)刻相同 即即同頻又同相同頻又同相才能實(shí)現(xiàn)才能實(shí)現(xiàn)同步掃描同步掃描 保證圖象既無(wú)水平方向扭曲現(xiàn)象，也無(wú)垂直

12、方向翻滾現(xiàn)象。保證圖象既無(wú)水平方向扭曲現(xiàn)象，也無(wú)垂直方向翻滾現(xiàn)象。 同步脈沖同步脈沖 每當(dāng)掃描完一行時(shí)加入一個(gè)行同步脈沖每當(dāng)掃描完一行時(shí)加入一個(gè)行同步脈沖 每當(dāng)掃描完一場(chǎng)時(shí)加入一個(gè)場(chǎng)同步脈沖。每當(dāng)掃描完一場(chǎng)時(shí)加入一個(gè)場(chǎng)同步脈沖。 消隱消隱 在圖像換行和換場(chǎng)時(shí)，電子槍回掃時(shí)不掃描在圖像換行和換場(chǎng)時(shí)，電子槍回掃時(shí)不掃描電視原理與系統(tǒng)電視原理與系統(tǒng).http:/ 黑白全電視信號(hào)黑白全電視信號(hào) 由由 圖像信號(hào)圖像信號(hào)和確保掃描同步的和確保掃描同步的復(fù)合同步信復(fù)合同步信號(hào)號(hào)以及消除掃描逆程回掃線的以及消除掃描逆程回掃線的復(fù)合消隱信號(hào)復(fù)合消隱信號(hào)等輔助信號(hào)而構(gòu)成的。等輔助信號(hào)而構(gòu)成的。41PAL制式制式

13、每秒每秒25幀幀50場(chǎng)場(chǎng) 分辨率分辨率 標(biāo)清：標(biāo)清：720*576 場(chǎng)消隱區(qū)、行消隱區(qū)、場(chǎng)同步、行同步場(chǎng)消隱區(qū)、行消隱區(qū)、場(chǎng)同步、行同步422.2.2 圖像信號(hào)的基本概念圖像信號(hào)的基本概念 亮度亮度 人眼對(duì)光的明暗程度的感覺(jué)人眼對(duì)光的明暗程度的感覺(jué) 對(duì)比度對(duì)比度 最大亮度與最小亮度的比值最大亮度與最小亮度的比值 灰度灰度 灰度即亮度級(jí)差或稱(chēng)亮度層次灰度即亮度級(jí)差或稱(chēng)亮度層次 432.2.3 攝像頭分類(lèi)攝像頭分類(lèi) 數(shù)字?jǐn)z像頭數(shù)字?jǐn)z像頭 輸出數(shù)字信號(hào)，如輸出數(shù)字信號(hào)，如OV6620 模擬攝像頭模擬攝像頭 輸出模擬信號(hào)，輸出模擬信號(hào)， PAL制式（制式（NTSC 制式）制式） CMOS CCD44數(shù)

14、字?jǐn)z像頭數(shù)字?jǐn)z像頭 OV6620 45CCD與與CMOS比較比較 CCD 成像質(zhì)量高成像質(zhì)量高 動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較好，比較重動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較好，比較重 電壓電壓12V CMOS 質(zhì)量輕質(zhì)量輕 對(duì)電源電壓的要求低，功耗比較低對(duì)電源電壓的要求低，功耗比較低 成像質(zhì)量差，分辨率低，噪聲大成像質(zhì)量差，分辨率低，噪聲大 電壓電壓5VVCC、GND、AV三跟線 46小電視顯示的小電視顯示的CCD攝像頭采集圖像攝像頭采集圖像4748位置低力臂小位置高力臂大轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力山東大學(xué)智能車(chē)競(jìng)賽講稿山東大學(xué)智能車(chē)競(jìng)賽講稿,201049直線行駛時(shí)，與安裝位置無(wú)關(guān)，沒(méi)有影響因舵機(jī)在前輪，轉(zhuǎn)向時(shí)安裝在前影響大安裝在后，轉(zhuǎn)向時(shí)影

15、響小圖象中心偏移量大圖象中心偏移量小山東大學(xué)智能車(chē)競(jìng)賽講稿山東大學(xué)智能車(chē)競(jìng)賽講稿,201050最遠(yuǎn)點(diǎn)最近點(diǎn)軸心線成像可視范圍垂直夾角大，可視范圍大，在線數(shù)一定的條件下，分辨率底垂直夾角最遠(yuǎn)點(diǎn)最近點(diǎn)軸心線成像可視范圍垂直夾角小，可視范圍小，在線數(shù)一定的條件下，分辨率高垂直夾角山東大學(xué)智能車(chē)競(jìng)賽講稿山東大學(xué)智能車(chē)競(jìng)賽講稿,2010512.2.4 模擬攝像頭電路設(shè)計(jì)模擬攝像頭電路設(shè)計(jì) 電源電路電源電路 5V、12V 視頻分離電路視頻分離電路5253542.2.5 圖像采集圖像采集 利用同步信號(hào)向處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求，在中斷中采集圖像。利用同步信號(hào)向處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求，在中斷中采集圖像。 像素同步信號(hào)像

16、素同步信號(hào)提示出現(xiàn)一個(gè)新的像素?cái)?shù)據(jù)提示出現(xiàn)一個(gè)新的像素?cái)?shù)據(jù) 行同步信號(hào)提示一行開(kāi)始行同步信號(hào)提示一行開(kāi)始 場(chǎng)同步信號(hào)提示一場(chǎng)開(kāi)始場(chǎng)同步信號(hào)提示一場(chǎng)開(kāi)始 數(shù)字?jǐn)z像頭數(shù)字?jǐn)z像頭 像素同步像素同步 讀一個(gè)像素的灰度，存入數(shù)組讀一個(gè)像素的灰度，存入數(shù)組 行同步行同步 數(shù)組換行數(shù)組換行 場(chǎng)同步場(chǎng)同步 開(kāi)始接收一幅新圖像開(kāi)始接收一幅新圖像55 模擬攝像頭模擬攝像頭 A/D轉(zhuǎn)換獲得像素值轉(zhuǎn)換獲得像素值 像素的灰度，存入數(shù)組像素的灰度，存入數(shù)組 行同步行同步 開(kāi)始新一行圖像，開(kāi)始新一行圖像，A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)轉(zhuǎn)換獲得像轉(zhuǎn)換連續(xù)轉(zhuǎn)換獲得像素值素值 場(chǎng)同步場(chǎng)同步 開(kāi)始接收一幅新圖像開(kāi)始接收一幅新圖像56采集圖像結(jié)果采集圖像結(jié)果57圖像二值化結(jié)果圖像二值化結(jié)果582.3 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 2.3.1 軟件流程圖軟件